地鐵隧道襯砌病害探地雷達圖像特征分析

劉恩軍，馮 強，余海忠

（1. 深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518029；2. 深圳市寶安區建筑工務署，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著探地雷達檢測技術不斷發展，其用途也越來越廣，其中低頻率（12.5～100 MHz）的探地雷達主要用于礦山探測、地質分層、地質災害探測[1]、海堤檢測[2]等；中頻率（100～1 000 MHz）的探地雷達由于探測精度更高，可分辨的層位和目標更精細，可用于鐵路路基檢測、公路路面檢測[3]、地下管線的探測[4]、隧道質量檢測[5-6]、機場停機坪及跑道檢測[7]、地面塌陷檢測等；高頻率（＞1 000 MHz）的探地雷達則主要用于鋼筋分布檢測。

目前，我國地鐵建設正處于高潮期，全國已有40多個城市開通地鐵，上海、北京、廣州、成都等地已經開通了10條以上地鐵運營線路，截至2021年12月31日，深圳已開通地鐵運營線路11條，累計線路長度431.03 km，預計到2035年，深圳將建成1 335 km的地鐵線路。隨著地鐵建設的快速發展，地鐵隧道的質量檢測手段也在發生變化，常規的檢測方法難以解決一些隱蔽的質量問題，探地雷達等高科技無損檢測技術已成為一種常用的檢測手段，然而探地雷達的檢測效果卻因人而異，主要原因是部分檢測人員對隧道襯砌病害的探地雷達圖像特征沒有掌握透徹，因此，通過總結地鐵隧道襯砌的病害類型及其探地雷達圖像特征，提高地鐵隧道襯砌質量的檢測效率尤為重要。

2 隧道主要施工方法及其襯砌的病害類型

2.1 地鐵隧道的主要施工方法

地鐵隧道的主要施工方法包括：沉管法（水底）、蓋挖法、明挖法、暗挖法。由于地鐵隧道多位于城市復雜環境中，故暗挖法使用最為廣泛。暗挖法又分為頂管法、新奧法、盾構法、礦山法等，其中礦山法和盾構法應用最為廣泛，目前深圳地鐵的隧道主要采取這2 種方法進行施工。

2.1.1 礦山法

礦山法又稱淺埋暗挖法，主要利用土層在開挖過程中短時間的自穩能力，通過噴射混凝土形成初期支護（以下簡稱“初支”），保護圍巖或土層表面，待初支形成后澆筑二襯混凝土。該方法適合于黏性土層、砂層、砂卵層等城市地區松散土介質圍巖條件，在隧道埋深小于或等于隧道直徑的情況下，依然可以達到很小的地表沉降效果，對城市交通的影響最小，可以省去許多拆遷、道路占用和掘路等報批程序，對環境無污染、無噪聲、不擾民，適合于各種尺寸與斷面形式的地鐵隧道。

2.1.2 盾構法

盾構法是采用盾構機在地面以下直接暗挖隧道的一種自動化程度很高的施工方法。盾構機每頂進一環距離，就在盾尾拼裝一環管片并進行管片壁后注漿填補空隙，具有安全可靠、施工速度快等特點。盾構隧道一般為圓形，目前也有少量雙圓、橢圓、矩形等異形盾構隧道。

2.2 地鐵隧道襯砌的病害類型

2.2.1 礦山法隧道襯砌的病害類型

礦山法施工主要由人工進行，工序復雜，難點較多，因此在施工過程中容易出現各種病害，主要出現在二襯和初支之間。具體的病害包括：二襯與初支間存在脫空；二襯后存在空洞；二襯混凝土不密實；圍巖欠挖及二襯厚度不夠。

這些病害問題往往比較隱蔽，從外觀上難以發現，必須借助檢測手段才能獲悉。

2.2.2 盾構隧道襯砌的病害類型

隨著地鐵隧道盾構施工經驗的不斷積累，已經形成了一套非常成熟的地鐵隧道盾構設計、施工計算理論和操作細則，因此盾構法施工的隧道質量較其他方法更為可靠。但如果施工人員操作不當、盾構機選型錯誤，也會出現以下質量問題：①盾構管片出現明顯錯臺；②盾構管片接縫處滲漏；③盾構管片破損、裂縫、螺栓松動等；④盾構管片后方充填不密實。

前3項病害問題從外觀上便可獲悉，一般無需借助檢測手段，第4項病害問題外觀上難以發現，必須借助檢測手段才能獲悉。主要和電磁波頻率有關，頻率越低則穿透的越深。探地雷達原理示意如圖1所示，以2層均勻介質為例，電磁波在第一層介質中的傳播速度為v，當圖中x （發射天線與接收天線中心點之間的距離）遠小于h （反射界面的埋藏深度）時，可根據探地雷達記錄中反射波的到達時間差 t，由近似公式（1）計算出反射界面的埋藏深度h。

圖1 探地雷達原理示意圖

3 探地雷達基本原理和工作方法

3.1 探地雷達基本原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar）又稱為地質雷達（Geology Prospecting Radar），英文縮寫都是“GPR”，是一種電磁類物探方法，通過向地下發射電磁波、接收地下反射波并分析反射波的特征來判斷地下結構，20世紀90年代引入中國，得到了廣泛應用。根據電磁波在有耗介質中的傳播理論，發射天線向地下發射高頻脈沖電磁波，當遇到地下不均勻體或地質界面時會反射一部分電磁波回來，另一部分繼續向下傳播，遇到界面再反射，直至電磁波能量耗盡，電磁波的穿透能力

電磁波在介質中的傳播速度v可由公式（2）計算得到：

式（2）中，c是電磁波在空氣中的傳播速度，相當于光速，約為3×108m/s；ε為相應地層的相對介電常數。

地質界面電磁波反射信號的振幅與地質界面的反射系數有關，反射系數R可表示為：

式（3）中，ε1為界面以上介質的相對介電常數；ε2為界面以下介質的相對介電常數。反射信號的強度主要取決于上、下層介質的相對介電常數差異，介電常數差異越大，電磁波反射信號越強。當襯砌混凝土背后回填不密實時，混凝土與圍巖之間有空隙，由于空氣與混凝土的相對介電常數差別較大，因此電磁波在混凝土與空氣之間將產生很強的反射信號。

3.2 探地雷達工作方法

不同構造的探地雷達設備工作方法不同，當發射天線和接收天線可分離時，采用寬角法和剖面法；當發射天線和接收天線為一個整體時，則采用剖面法。

寬角法工作時，可以采用一個天線固定，另一個天線移動的方式，也可以兩個天線同時由一中心點向兩側反向移動。對于同一界面的反射波，天線間距不同，反射波到達時間也不同。距離越大，反射波到達時間越長，這樣采集的雷達圖形以天線間距為橫坐標，雙程傳播時間為縱坐標，同相軸呈傾斜形態，速度越小同相軸越陡，速度越大同相軸則越緩，通過同相軸的斜率可以計算介質的電磁波速度。

剖面法是發射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的方法，其記錄點位于兩個天線之間的中點。剖面法工作時，可采用手工點測觸發、自動連續觸發和測距輪控制觸發等方式，高頻探地雷達采集速度很快，目前部分設備還可實現實時采樣，因此在做高速公路或鐵路檢測時，可安裝在車上進行快速檢測，檢測速度最高可達100 km/h。

隨著探地雷達裝備的發展，目前還有二維天線陣和三維探地雷達的工作方法。

3.3 探地雷達數據處理方法

探地雷達數據處理的方法主要有球面指數補償增益（SEC增益）、自動增益控制（AGC增益）、道平均濾波、點平均濾波、頻率域（低通、高通、帶通）濾波、二維（頻率波數域）濾波、偏移歸位處理、反褶積處理、小波變換處理、地形改正及修飾性處理等。對于高頻雷達，由于其天線一般可做成屏蔽式的，抗干擾能力較強、信噪比高，可根據實際情況選擇合適的方法進行處理。

4 隧道襯砌病害的探地雷達圖像特征

通過大量的隧道襯砌病害檢測實驗和對比，同時經過現場驗證，總結出正常襯砌與常見病害的探地雷達圖像特征。

4.1 正常襯砌

正常襯砌的探地雷達圖像如圖2所示，從圖中可明顯發現二次襯砌中存在2層鋼筋，鋼筋保護層厚約5 cm，二次襯砌厚約35 cm，且厚度均勻，說明襯砌質量比較穩定。從圖中還可看出，二襯和初支間界面反射波能力弱，表明襯砌之間結合緊密，無脫空現象。圍巖內部無雜亂反射，表明圍巖完整，未受擾動。

圖2 正常襯砌的探地雷達圖像

4.2 二襯與初支間存在脫空

存在脫空的探地雷達圖像如圖3所示，從圖中可發現初支面起伏較大，二襯與初支間反射波能量很強，界面反射系數大，說明二襯與初支結合不夠緊密，交界面存在空氣，即存在脫空現象。

圖3 存在脫空的探地雷達圖像

4.3 二襯后存在空洞

二襯后存在空洞的探地雷達圖像如圖4所示，從圖中可明顯發現能量較強的雙曲線型多次反射，說明襯砌后方存在空氣，電磁波在界面上被反射回地面后又再次入射到該界面并再次反射，循環多次造成多次反射。

圖4 二襯后存在空洞的探地雷達圖像

4.4 二襯內混凝土不密實

二襯內存在三角形空洞的探地雷達圖像如圖5所示，從圖中可發現襯砌中存在三角形空洞時，除了會產生能量較強的多次反射外，還有一個特征就是會產生傾斜的反射同相軸。

圖5 二襯內存在三角形空洞的探地雷達圖像

二襯內存在拱形空洞的探地雷達圖像如圖6所示，和二襯后方存在空洞的圖像特征類似，也是存在能量較強的雙曲線型多次反射圖像，只是其發育深度較淺，在二襯內部。

圖6 二襯內存在拱形空洞的探地雷達圖像

4.5 圍巖欠挖及二襯厚度不夠

圍巖欠挖的探地雷達圖像如圖7所示，圍巖欠挖時，初支面凸起，二襯厚度明顯偏薄（只有20 cm厚，遠低于設計值35 cm）。二襯厚度不夠和圍巖欠挖的區別在于二襯和初支的界面是平的，不存在初支面凸起的現象。

圖7 圍巖欠挖的探地雷達圖像

5 檢測實例

5.1 工程概況

深圳地鐵5號線起于深圳前海灣站，線路經過南山、寶安、龍華、龍崗、羅湖5個行政區，終點位于羅湖區黃貝嶺站，線路全長約40 km，共布設車站27座。5號線于2010年6月22日正式投入運營。其中，興留區間由于不具備盾構法施工條件，采用礦山法施工，地鐵公司為控制隧道施工質量，采用探地雷達技術對隧道襯砌進行了檢測。

5.2 選用的儀器

檢測采用RIS K2型探地雷達，配備600 MHz屏蔽天線，由測距輪自動控制采集，該儀器具有探測速度快、精度高的特點。

5.3 測線布置方式

針對5號線興留區間隧道的斷面形式，在隧道拱頂、兩邊拱腰、兩邊邊墻處共布設了5條縱向探地雷達測線。

5.4 現場操作

采用探地雷達技術對隧道襯砌進行檢測的現場操作要點如下：

（1）現場操作人員保證雷達天線密貼二襯表面行進，確保測距輪保持轉動；

（2）現場操作人員密切配合，確保天線實際檢測位置與標記線位置相符；

（3）檢測天線移動時應保持勻速、穩定，考慮儀器掃描速度與實際條件，檢測速度宜控制在3～5 km/h，如圖8所示；

圖8 探地雷達檢測現場

（4）現場記錄員要及時記錄測線號、方向、標記間隔及天線類型等信息，隨時記錄現場產生電磁波干擾的物體（如電纜、鐵架等）及其位置。

5.5 資料處理與檢測結果

5.5.1 資料處理

探地雷達探測的所有數據會自動記錄在計算機硬盤上，可回到室內使用計算機進行分析處理。資料的處理與解釋分為2個階段：一是進行探地雷達數據處理，如增益、濾波等，提高數據信噪比；二是從雷達圖像上進行巡視，確定標志層與異常，分析異常處的相位特征、頻率特征等參數，并采用專用軟件對所確定的異常進行標注等。

5.5.2 檢測結果

經過資料處理與解釋，深圳地鐵5號線興留區間隧道襯砌探地雷達檢測可總結如下：

（1）檢測結果表明二次襯砌的平均厚度均大于設計厚度，基本滿足要求；

（2）少數地段襯砌后方存在空洞異常，深度約0～10 cm，需進行適當處理；

（3）少數地段存在欠挖現象，欠挖厚度約0～5 cm，在隧道日常維護中應加以注意。

經過抽樣驗證，檢測結果與實際情況相符。

6 結語

探地雷達是一種高科技無損檢測技術，檢測速度快、檢測精度高，在地鐵隧道的檢測中發揮了重要作用，具有很大的發展潛力。探地雷達在地鐵隧道質量檢測中需要有一定的異常識別能力，只有掌握不同病害的異常特征，才能充分發揮探地雷達的技術優勢，更好識別出地鐵隧道襯砌的病害，為隧道養護提供數據基礎。