地質雷達技術在公路隧道質量檢測中的應用研究

陸寬

（甘肅省遠大路業(yè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近幾年來，隨著我國高速公路里程逐年增加，隧道工程的建設取得了傲人的成就，但從工程的實踐中可以看出，隧道工程從“多”到“強”的路還很漫長，在實際工程建設中，隧道質量依然不容樂觀，隧道襯砌、防排水設施等隱蔽工程作為隧道建設過程的不確定因素，管理難度大，若過程質量控制不到位，極易出現襯砌裂縫、滲水等病害。隧道建造過程中由于現場施工隊伍技術水平參差不齊又會使這些病害更加突出，嚴重影響到項目通車之后隧道工程的正常運營和使用壽命。因此在隧道施工過程中襯砌施工質量檢測尤為重要。在隧道襯砌質量的檢查中，通常都是釆用鉆芯取樣、開窗檢查等方法，這種方法不僅檢測效率低、精確度不夠，檢測工作影響隧道正常施工，降低了工作效率，同時有可能穿透防水板，導致滲水，對隧道襯砌結構造成破壞，給隧道后期運營留下安全隱患，嚴重影響耐久性及運營安全。地質雷達無損檢測技術是近幾年發(fā)展較為迅速的一種隧道檢測技術手段，由于它在檢測中具有快速、無損、準確度高、效率高等優(yōu)點，目前被廣泛用于公路隧道檢測中。本論述以甘肅某公路隧道建設工程為例，通過對隧道部分段落的隧道襯砌進行地質雷達無損檢測，波形圖數據處理分析，及時發(fā)現隧道施工過程中容易出現的質量缺陷，加強隧道施工過程質量管控，為后續(xù)施工提供數據支撐，達到消除隧道質量隱患和提升隧道施工質量的目標。

1 地質雷達檢測原理及應用條件

地質雷達檢測的基本原理是采用電磁波探測技術，利用電磁波在不同介質中傳播所產生的反射現象和數據差異來分析具體的地質情況，如圖1所示。從原理上講，地質雷達類似于聲納設備，發(fā)射機發(fā)射脈沖電磁波訊號，該電磁波訊號在巖層、土壤等介質中傳播，在傳播過程中遇到與所檢測的巖層、土壤等不同介質的物體時會發(fā)生反射，接收機拾取所反射的信號，記錄它并在相配套的計算機軟件中顯示為不規(guī)律的波形圖像，根據所顯示的波形圖像可判斷地下物體的位置和距離，用于檢測各種地下構筑物。

圖1 地質雷達工作原理

地質雷達發(fā)射電磁波所造成的反射是由電磁波傳播介質中電阻抗的變化產生的，在地質雷達頻率范圍內，地下介質的電阻抗變化主要由相對介電常數的變化決定，反射系數R如式1所示：

式中：e1、e2分別為相對介電常數。

由式1可以看出，信號反射的強弱主要取決于不同介質的相對介電常數差值，差值越大，信號反射越明顯。在隧道檢測中，一般檢測的介質主要由圍巖、混凝土、空氣、水構成，有關介質的介電常數值見表1所列。

表1 不同介質的相對介電常數

2 隧道質量檢測應用實例

2.1 工程概況

該隧道分離式設計，間距約30 m。右線進口樁號為K119+730，出口樁號為K120+685，全長955 m；均屬中隧道。隧址區(qū)屬構造剝蝕中低山地貌單元，山體形態(tài)多渾圓狀，山脊較寬，洞室埋深較大，巖性主要為中風化板巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差，頂部無支護可能會發(fā)生掉塊、坍塌現象，施工時洞室會有滲水、滴水現象。隧道圍巖等級評定為為Ⅲ～V級。初期支為12～26 cm C25噴射混凝土，初期支護中設計無鋼拱架或間距50～120 cm鋼拱架，二次襯砌為40～50 cm C30混凝土，二次襯砌設計無鋼筋或間距20 cm鋼筋。

2.2 檢測設備選擇

在探地雷達的產品及應用中，有幾個問題一直無法徹底解決：（1）低頻天線探測深，但分辨率差；高頻天線分辨率好，探測深度又太淺；（2）天線帶寬一直無法有效拓展，探測不同深度不同尺寸物體就要換更多天線來嘗試，在隧道洞內檢測，不同頻率天線的選擇將直接影響檢測結果的判定，本次隧道襯砌測試深度為0.5～1.5 m，根據現場實際情況，檢測設備采用瑞典Im?pulseRADAR公司生產的天線頻率為600 MHz的PLT600探地雷達，PLT600探地雷達為數據無線傳輸，能大大提升隧道現場檢測的便捷性。

2.3 隧道測線布置

地質雷達檢測隧道襯砌，檢測前需做好計劃，結合工程實際需要布置測線進行檢測，本次檢測共設置5條檢測線，具體包括隧道左邊墻和右邊墻、隧道左拱腰和右拱腰、隧道拱頂，這樣能夠全面客觀的檢測隧道工程是否存在質量缺陷，防止遺漏。

2.4 現場數據采集

2.4.1 參數設置

通過分析，本次檢測過程選擇的技術參數如下：

（1）掃描速度：大于800掃／s；

（2）脈沖重復頻率：160 MHz；

（3）時 窗：263 ns；

（4）道間距：0.02 m；

（5）采樣點數：400～600；

（6）波速：100 m／us；

（7）信噪比：>126 dB；

（8）數據位數：16 bit；

（9）采集模式：測距輪模式。

2.4.2 注意事項

（1）檢測開始前要向手持天線的工人交代使用方法（天線前進方向、天線一定要和被測襯砌混凝土面密貼，保證測距輪的轉動），一般檢測臺車上面要有至少2名工人配合工作。

（2）現場天線操作人員要與數據檢測人員保持同步進行檢測，確保里程無誤差。

（3）檢測開始前，現場技術人員要記錄準備檢測的測線編號、地質雷達天線前進方向，隨時記錄現場對檢測結果有干擾的物體及其位置，檢測過程中保證天線移動平穩(wěn)、速度均勻。

（4）為了保證檢測過程中里程樁號不發(fā)生誤差，在檢測過程中應隨時核對里程樁號，同時在數據采集時應注意打標記，每隔5～10 m打一個，如有異常位置也可打標記并記錄。

（5）隧道拱頂和隧道拱腰部分隧道襯砌的檢測，通過高空檢測臺車將操作人員抬升至隧道拱頂和拱腰附近，使地質雷達天線能夠緊貼隧道襯砌表面，高空檢測臺車要勻速前進，檢測過程中確保天線移動平穩(wěn)。

（6）二襯混凝土一般在28 d以后可進行檢測，最好在混凝土齡期三個月后檢，混凝土齡期越久，介質介電差異越大、電磁波衰減越小，其探測效果越好。

3 地質雷達波形分析

3.1 數據處理分析

通常我們得到的雷達數據是原始數據，電磁波在介質傳播過程中，介質對電磁波的吸收會使反射信號逐步減弱，在所傳播的介質不均勻時還會漫反射，為了保證檢測的準確性，盡可能保留全部的反射波，相當于所反射的電磁波有效信號和干擾信號同時被記錄下來，數據處理的目的就是消除不規(guī)則的干擾信號，最大可能顯示介質的有效分布波形圖，準確判斷隧道襯砌背后的真實情況。本次檢測數據的處理，采用瑞典Im?pulseRadar公司PLT600地質雷達隨機配備的Reflexw后處理軟件，常用的濾波處理步驟為：

（1）1D-Filter/Subtract-mean（1維濾波/去直流漂移）：去直流漂移，去除零漂現象。

（2）Static Correction/Move start time（靜校正/移動開始時間）：切除直達波，找到被測介質表面。

（3）Gain/Energy decay（增益/能量衰減）：增強深部信號。

（4）2D-Filter/background removal（二維濾波/背景去除）：去除水平信號干擾，駐波。

（5）1D-Filter/bandpassbutterworth（1維濾波/巴特沃斯帶通濾波）：去除高低頻干擾。

（6）2D-Filter/Running average（二維濾波/滑動平均）：去除毛刺噪聲干擾，圖像平滑。

3.2 典型雷達圖像分析

隧道襯砌無損檢測主要包括襯砌厚度、背部回填密實度、背后空洞以及鋼拱架、鋼筋分布情況等內容。通過Reflexw后處理軟件處理雷達波形圖像，可增強目標體信號，去除水平信號、高低頻干擾，有助于分析襯砌內部存在缺陷的位置和嚴重程度。在現場檢測過程中，地質雷達波形復雜多變，波形判別上需要根據實際工程地質情況具體分析，通過參考典型襯砌檢測雷達圖像，可以積累經驗，能夠更好的分析比對所檢測出來的質量缺陷。在隧道襯砌檢測中，襯砌混凝土的密實程度、是否有鋼筋都會影響雷達波的反射，進而影響波形圖的判別，其中襯砌混凝土密實度較好的雷達反射波波形特征為反射信號幅度較弱，甚至沒有反射信號，襯砌混凝土密實度較差的雷達反射波波形特征為有較強的反射信號，且不規(guī)律、較分散、呈漫反射狀態(tài)。襯砌內部鋼筋雷達反射波波形特征為連續(xù)且規(guī)律的小雙曲線形強反射信號，呈連續(xù)小月牙形態(tài)，鋼拱架雷達反射波波形特征相對于鋼筋來說呈分散狀大月牙形態(tài)。襯砌混凝土密實度較差的雷達反射波波形根據其信號強度和嚴重程度又具體分為空洞、脫空、不密實等不同的質量缺陷判定結果?，F就將一些典型襯砌雷達檢測缺陷圖像總結如下。

3.2.1 空洞、脫空

隧道出現空洞、脫空現象是指隧道二次襯砌與初期支護之間或初期支護與隧道圍巖之間產生的縫隙、空洞，主要原因有隧道二襯澆筑施工時混凝土振搗不到位導致混凝土澆筑不密實而形成的空洞；防水板鋪設時松弛度和平整度不符合要求而形成鼓包，導致襯砌澆筑時形成空洞、脫空；隧道拱頂混凝土澆筑完成封閉窗口時未注滿混凝土導致拱頂脫空；隧道內地下水也會侵蝕和風化圍巖，長期作用下導致圍巖產生空洞和孔隙。由表1可知，空氣、混凝土和圍巖等不同介質的相對介電常數差值較大，隧道空洞、脫空產生的的縫隙、空洞中常含有空氣，雷達電磁波信號在傳播過程中會經過襯砌混凝土、空氣等相對介電常數差值較大介質，產生大幅度的強反射信號，隧道空洞、脫空形狀的不規(guī)則會使電磁波信號在空洞中產生多次較強的反射，在雷達圖像上一般表現為呈帶狀長條形或三角形分布的強反射信號，如圖2、圖3所示，據此可判斷隧道襯砌出現空洞、脫空等現象。

圖2 二次襯砌背部脫空

圖3 二次襯砌背部空洞

3.2.2 混凝土不密實

襯砌混凝土不密實是指襯砌混凝土澆筑不密實而產生小的蜂窩狀小空洞、小間隙。主要原因有隧道襯砌施工時的振搗不到位，混凝土不密實；模板縫隙未完全密封，導致澆筑過程混凝土跑漿、漏漿?；炷敛幻軐嵅课坏睦走_波形圖一般也會有較大的強反射信號，但相較于隧道空洞、脫空產生大幅度的強反射信號，強度和范圍有所減弱，同時呈不連續(xù)、不規(guī)律、分散型分布，表現出紊亂和雜亂等現象，如圖4所示。

圖4 二襯混凝土不密實

3.2.3 鋼筋、鋼拱架分布

在隧道混凝土襯砌中的HRB400鋼筋和工字鋼鋼拱架導電性良好，可以對雷達電磁波產生較強的反射信號。如圖5、圖6所示，襯砌內部鋼筋雷達反射波波形特征為連續(xù)且規(guī)律的小雙曲線形強反射信號，呈連續(xù)小月牙形態(tài)，鋼拱架雷達反射波波形特征相對于鋼筋來說呈分散狀大月牙形態(tài)。每個小月牙或大月牙形態(tài)的反射信號與一根鋼筋或一榀鋼拱架相對應，從波形圖像上可以較直觀地觀察鋼筋、剛拱架分布情況，判別鋼筋、鋼拱架間距是否符合圖紙及設計要求，鋼筋保護層厚度作為隧道襯砌鋼筋檢驗的一項重要指標，也可以從波形圖像上定性的分析二襯鋼筋保護層厚度。

圖5 二襯鋼筋分布

圖6 鋼拱架分布

3.2.4 襯砌厚度

雷達波數據處理完畢后可以通過Reflexw處理軟件“分析—拾取”命令拾取層操作，判別二次襯砌的厚度以及初支與圍巖之間的界限，在工程實踐中通常根據雷達波形圖像分析辨識二襯厚度，對于沒有布設鋼筋的素混凝土二襯，二襯與初支之間層間信號反射明顯，通過“分析—拾取”命令拾取二襯與初支之間的分界面，較直觀判別二襯的厚度，對于混凝土有布設鋼筋的二襯，二襯鋼筋與初支鋼拱架之間的電磁波反射信號相互干擾，會影響二襯與初支之間分界面的判別，干擾二襯厚度的判斷，必要時可通過放大圖像的比例，選擇強反射層位界面，判斷二次襯砌的厚度。如圖7所示可知所檢位置襯砌厚度大部分在45～80 cm之間，最大厚度為80 cm，最小厚度為45 cm，襯砌厚度基本滿足要求。

圖7 二襯厚度

4 結束語

采用地質雷達無損檢測，可以將隧道施工過程中存在的各種質量隱患消除在施工建設階段，進一步加強對隧道施工過程質量管控，有效消除襯砌背部空洞等質量隱患，襯砌厚度、鋼筋保護層等關鍵指標合格率大幅提升，隧道施工質量得到明顯提高。隨著地質雷達檢測技術在隧道工程質量檢測領域的推廣應用，讓施工管理更加高效和精細化，對我國工程建設技術的發(fā)展具有重要意義。