試論地質雷達在公路隧道襯砌質量檢測中的應用

施 彪

(甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 地質雷達檢測公路隧道襯砌原理

地質雷達(GPR)是一種高精度的地球物理探測儀器，其頻率一般介于106Hz～109Hz，借助無線電波對地下介質分布情況進行檢測。發射天線將高頻短脈沖電磁波發射至隧道覆蓋層，由于不同覆蓋層和圍巖介質的介電特性不同，導致其發射的電磁波能量也不同，所以反射波和接收天線的時間將存在差異性，由此來判斷隧道襯砌的結構。電磁波在不同介質中的傳播速率可用公式(1)表示

V=C/(εr)1/2

(1)

2 工程概況

兩當隧道位于G316線長樂至同仁公路兩當縣楊店(甘陜界)至徽縣高速公路，該隧道貫穿兩當縣近郊大坡溝與磨溝，為一座左、右線分離的雙向四車道公路隧道。兩當隧道左線起訖樁號為ZK16+310～ZK20+520，長4 210 m；右線起訖樁號為YK16+323～YK20+500，長4 177 m。

隧道主洞內輪廓橫斷面采用三心圓曲墻式輪廓，復合式襯砌，隧道內輪廓拱部采用R=543 cm單心半圓，側墻采用R=793 cm大半徑圓弧，仰拱半徑為1 500 cm，仰拱與側墻間采用R=100 cm小半徑圓弧連接。初期支護采用C25噴射混凝土，內置鋼筋網，Ⅴ級、Ⅳ級圍巖段內設型鋼拱架；Ⅴ級圍巖及緊急停車帶段二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，仰拱采用C30混凝土。為了保證襯砌質量，避免出現襯砌厚度不足、空洞等缺陷情況，采用雷達進行檢測。

3 在地質雷達公路隧道襯砌質量檢測中的應用

3.1 選擇隧道地質雷達檢測的天線頻率

高精度、高分辨率、高頻率是電磁波的顯著特征，但是由于其能量衰減速度快，因此頻率較高的電磁波探測深度較差。雖然頻率較低的電磁波精度低、分辨率低，但是其電磁波能量不會過快地衰減，故而低頻率的電磁波探測精度較深。基于此，我們在應用地質雷達檢測技術時，要合理選擇天線發射頻率，根據隧道混凝土的檢測要求、厚度、深度選擇天線頻率。天線頻率與檢測深度二者關系具體表1。

表1 天線頻率與檢測深度對照表

在應用雷達檢測隧道襯砌質量前，要合理布置測線，確定好測線高度，同時還要確保測線高度的統一和順直。隨后再對縱向和環向的測線進行確定、布置，在公路隧道中以縱向測線為主，橫向測線為輔分別布置在拱頂、拱的左右邊墻和拱腰。與此同時，檢測人員還要在三車道、四車道隧道拱腰部位多布置兩條測線。在特殊情況下，如存在缺陷的襯砌地方，需結合實際增設1～3條加密線。網測線可布置在有特殊要求的地段和道路中心測線，當周圍方向測線難以組織時，可根據檢測內容和檢測要求布置測線。隧道縱向布置距離為8～12 m，倘若檢測人員在襯砌檢測中發現了不合格斷面，應增加測線和測點，以提高檢測的精準性，并采用連續方式或是點測方式進行檢測，保證每道測線要大于20個測點。

3.2 地質雷達在隧道襯砌厚度檢測中的應用

當前地質雷達被廣泛運用在道路評估標準和測試標準中，由于電磁波傳播速度和電磁波雙向傳播時間會影響地質雷達檢測的準確性，如此一來，計算機在收集雙向傳播結果、時間會存在一定的誤差。眾所周知，電磁波的傳播速度與隧道襯砌厚度有著直接關系，故而隧道襯砌厚度受介電常數的影響，將地質雷達運用到隧道襯砌結構檢測中，需把鋼筋埋在不同的深度中，經過檢測以獲得鋼筋的厚度和其他襯砌厚度。地質雷達在隧道襯砌厚度檢測中的應用，需要綜合考慮混凝土結構特點，以及其對地質雷達電磁波所產生的制約，并應結合實際了解混凝土相對介電常數間的關系。在本工程項目的實際應用中，對公路隧道襯砌結構實施分析，在實施隧道襯砌的混凝土澆筑時，采用振動棒均勻實施振動，以保證混凝土緊實度，同時應用防水樹脂對襯砌各表現進行滲透，加速其表現水分的持續蒸發。隨后應用地質雷達實施檢測，其檢測狀態顯示鋼筋所反饋的雷達波紋，主要呈現出雙曲線式顯示，其中的白弧部分標示為鋼筋頂端部位。依據該檢測方法，在地質雷達的檢測應用中，還可以在相同的混凝土結構中對不同鋼筋厚度進行檢測，通過其對不同結構厚度的反映，更好地掌握隧道混凝土襯砌的波紋特征，以判定其對電磁波速度的影響，提升檢測的精確性。

3.3 地質雷達在檢測隧道襯砌缺陷中的應用

為保證隧道工程的整體安全質量，應綜合考慮各個環節中的實際缺陷，以實現對工程質量的精確把握。在公路隧道襯砌檢測中，依據地質雷達檢測技術的優勢，可以更好地了解隧道襯砌中的缺陷問題，使混凝土的襯砌與噴射間距問題得到改善。目前，由于工程界對于地質雷達的應用研究仍然不足，其實踐應用中的技術優勢顯現不明朗，在實際過程中無法進一步明確隧道結構及形態的目標。為解決上述問題，檢測人員在公路隧道襯砌質量檢測之前，針對地質雷達的檢測特點做好驗證，即利用圓臺及方形模具，對襯砌及噴射混凝土間距進行調整。在本工程項目地質雷達的應用中，選擇400 mHz頻率天線，雷達波速度為0.11 m/ns，設置4處檢測點，兩點間距統一為5 m。可見，在公路隧道襯砌質量檢測中，通過驗證地質雷達技術特點，可解決傳統檢測中的精準性問題，最大程度發揮地質雷達的優勢和潛力，提升隧道襯砌質量檢測的精確度。

4 結 語

總而言之，隨著公路隧道工程質量的發展，隧道襯砌施工的質量要求也在持續改變，要想獲得更加準確的工程數據，必然需要依賴更優質的技術。地質雷達作為一種常用檢測設備，對于隧道內部襯砌檢測具有重要作用，因此應準確掌握其技術性能及應用方式，更好地發揮出地質分析功能。