地質雷達在隧道檢測中的應用

楊玉冰

（江西省交通運輸科學研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

利用地質雷達對隧道的襯砌質量進行檢測的內容相對較多，最為常見的是對隧道內的初期支護、二次襯砌厚度進行檢查，有些隧道在質量檢測過程中還會增設對襯砌鋼筋網片、鋼支撐分布、襯砌背后空洞以及不密實帶等的檢測。因檢測項目較多，加之地質雷達檢測是無損檢測方式，所以在實體隧道工程質量檢測中起步稍晚。近年來，隨著該領域技術的不斷發展，對檢測技術進行了大力推廣。但受專業檢測人員經驗以及實際操作水平和環境等相關因素的影響，在檢測結果的解釋與判讀方面還需要進一步加強，相關技術和檢測人員需要不斷提升專業水平，從而使我國隧道檢測技術得以優化。

1 地質雷達的工作原理

地質雷達是利用雷達對隧道質量進行檢測，其工作原理主要是隧道內被檢測的物質因介質不同而呈現出不同的介電特性。地質雷達在工作的過程中，主要通過雷達發射或者接收不同頻率的電磁波（10～2500MHz），根據雷達接收的檢測物質反射的電磁波形、振幅以及相位等多種特征，初步判斷檢測目標的具體位置、形態結構、材料性質等，在此基礎上再結合被檢測隧道所處的環境、基本資料以及相關文獻等，對隧道質量做出綜合的分析和判斷。例如，根據地質雷達接收到的反射波頻率以及波形的相關資料推斷出隧道的介質結構，還可以根據電磁波在不同介質中的傳播速度（v）以及時間（t），計算出隧道界面的具體深度（D = v·t/2，其中v＝c/ ε，c 表示電磁波在真空中的傳播速度，通常設定為0.3m/ns；ε表示電磁波的相對介電常數）。此外，當地質雷達在對隧道內的襯砌質量進行實地檢測時，將地質雷達的發射天線與接收天線緊密貼合在襯砌混凝土表面，并在其表面進行移動時，可以清晰地看到建造隧道所使用的混凝土的內部介質并將其形成圖像。當地質雷達通過發射天線將電磁波傳送到隧道的混凝土襯砌中時，如果遇到了鋼筋、鋼支撐等混凝土，或者混凝土中有不連續的面、混凝土與空氣分界面或巖石分界面等發生反射，接收天線則會收到相應的反射波。檢測人員則通過接收到的反射波力學特征以及運動學原理可以進一步對混凝土內部的結構進行分析。

2 地質雷達在隧道檢測中的具體應用

為了更好地探究地質雷達在隧道檢測中的具體應用，以甘肅省天水市皇城隧道施工工程為例，施工中將使用地質雷達進行質量檢測，結合工程的實際情況以及質量要求和檢測目的制定合理的質量檢測方案，主要對隧道的初級支護、二次襯砌以及仰拱的施工質量進行檢測。與此同時，根據施工質量檢測的相關結果，發現和分析隧道在施工過程中存在的問題，進而提出最佳的解決辦法，進一步優化隧道工程的相關方案，以保證隧道工程的總體質量。

2.1 工程概況

皇城隧道為連通天水市秦州區和三陽川新區修筑的隧道，設計為分離式的土巖質隧道，工程建設時間為2018年11月—2020年12月。左線起訖樁號為（KZ66 + 200KZ68 + 366），總長度為3323m，進口平面線性設定為直線，洞身半徑設定為R＝2850cm，分別為圓曲線、直線和緩和曲線，出口半徑設定為R＝1060cm，為圓曲線。 右線起訖樁號為（YZ66 +220YK68 + 356），總長度為1795m，進口平面與左線相同，洞身半徑設定為R＝1060cm，分別為圓曲線、直線和緩和曲線，出口半徑設定為R＝1120cm，為圓曲線。設計縱坡坡度為-0.714%～- 2.3%，主洞內的拱部半徑設定為R＝532cm，呈單心半圓，側墻為圓弧結構，半徑為R＝786.2cm。隧道內設有緊急停車帶，車帶位置的拱頂設計為圓弧結構，半徑為R＝732.5cm，側拱的半徑為R＝528cm，側墻的半徑為R＝794cm，均為圓弧結構。隧道的主路面寬度約為8.46m，緊急車帶的路面寬度為11m。對該隧道穿越的地層巖石進行檢測后發現，主要為紫紅色的砂巖、砂質泥巖兩種，構造呈現中厚層狀，遇水后容易軟化。整個隧道的洞身巖石層級為四級和五級，襯砌結構的設定以地質雷達工作原理中的“新奧法”為指導。初期支護和二次襯砌之間設有防水結構。

2.2 檢測方案與實施

2.2.1 檢測的目的

該隧道檢測采用地質雷達檢測技術，檢測的目的是查看隧道是否與設計的方案和要求相符，具體包括以下內容：

（1）關于初期支護：鋼支撐的間距、隧道所噴射的混凝土的厚度以及初期支護是否存在背后空洞以及不密實帶。

（2）關于二次襯砌：二次襯砌的具體厚度、鋼筋網以及襯砌背后是否存在空洞以及不密實帶。

（3）關于仰拱：仰拱和回填層的混凝土是否密實。

2.2.2 檢測的地質雷達設備和參數

使用的地質雷達為美國生產，型號為SIR-3000，屏蔽天線為400MHz，具體參數設置如下：

（1）采集模式設定：時間模式。

（2）采樣點數：共計500 個點。

（3）采樣時窗：初期支護為30ns、二級襯砌為40ns、仰拱和隧道回填層為50ns。

（4）增益點數：設定為自動與手動增益兩種，總共4 點。

（5）疊加次數：設定為6 次。

2.2.3 測線布置

（1）初期支護檢測

該隧道在施工過程中采用了上下臺階的開挖方法，為了保證地質雷達檢測的及時性和有效性，在實施襯砌檢測的過程中分為兩次進行。一次是上導施工結束后，在拱頂和左右拱腰布置3 條縱向測線；另一次是下導以及仰拱鋪底結束后，在隧道的左右兩側邊墻位置布置2 條測線。如若在現場檢測的過程中，發現其中某一位置的檢測效果不佳或者隧道存在質量問題，那么將會根據具體情況增設相應的橫向測線，通常測線的間距為2～5m。

（2）二次襯砌檢測

現場檢測時布設了拱頂、左右拱腰以及左右邊墻共5 條測線，在現場檢測時為了保證檢測結果的準確性，應避開如臺架、襯砌臺車等可能對雷達信號產生干擾的干擾源。其中拱腰與邊墻的測線距離路面分別為4.5m 和1.5m。

（3）仰拱檢測

結合隧道的路面寬度，在施工中，對仰拱以及回填層進行檢測時，現場檢測布置2 條縱向測線，分別是沿著隧道的重心點向左和向右2m 的距離。若檢測當天遇到路面濕滑、有積水或障礙物時，則在原有測線的基礎上增設1～2 條縱向測線。

2.3 檢測結果分析

地質雷達采集的數據需要經軟件傳輸至電腦進行處理，該工程采用的軟件為RADAN6.6。通常會在隧道檢測現場編寫頭文件，如地質雷達檢查隧道的名稱、日期、部位以及檢測環境和干擾源等。在處理文件前，對錄入的信息進行相應的處理，形成地質雷達圖像。檢測結果的圖像便于在后期進行查閱和為數據解釋提供參考依據。檢測流程如圖1 所示。

圖1 地質雷達數據經軟件處理的具體流程圖

2.3.1 初級支護檢測

（1）檢測結果

為保證隧道的施工質量，在工程規定的時間范圍內對整個工程的質量進行了跟蹤檢測。經檢測后發現，隧道整體的初期支護質量較好且符合相關的施工要求和質量標準。在施工過程中，檢測發現其質量缺陷主要在于噴層背后的孔洞以及不密實帶，左右線共計檢出10 處明顯的初支背后脫空，長度為35m，基本位置在隧道的拱頂和左右拱腰。分析其原因是在隧道開挖的過程中，個別段落有超挖現象，而在處理超挖問題時，并未按照噴射混凝土的施工規范施工，對超挖地段采用回填石或者其他回填物時，初期支護噴層和圍巖之間貼合度不足，存在空隙的問題。

（2）雷達圖像分析

對于雷達圖像的分析，以2019年7月隧道的左線（KZ66+200—KZ68+260）段初期支護為例，該段的巖石主要為砂巖和泥巖，類別為四級。支護設計為SIVc型的噴錨式支護。間距為1m，厚度為22cm。分別對左右拱腰、邊墻以及拱頂的5 條測線進行連續檢測。

（a）初期支護噴層厚度和鋼支撐間距的檢測

對地質雷達檢測后形成的圖像進行分析可以發現，地質雷達發射電磁波進入初級支護噴層后，順著圍巖的方向進行傳播，在圍巖中遇見了鋼筋網片和鋼拱架。在呈現的圖像中可以看見明顯的強反射，振幅明顯增大，與混凝土表層的反射方向相反。因該部分的圍巖整體較為完整且巖質均勻，所以雷達在巖石中發射的電磁波呈現的反射強度逐漸減弱，頻率較低。結合對圖像的分析，依據圖像中呈現的反射位置、波形、能力強弱等可以發現初級支護噴層和圍巖之間的分界線，即為噴層的弧度，而具體的鋼支撐數量在圖像中有準確的數值顯示，能夠推斷出隧道內所設定的平均鋼支撐的間距。

（b）初級支護背后缺陷檢測

檢測出初級支護背后缺陷的隧道段落為（KZ66+870—KZ68+879）右側拱腰位置。對圖像進行分析后可以發現，在初期支護的背后出現了較強的反射信號，振幅明顯增強，且方向與混凝土表面所呈現的反射方向相反，紅色部分為脫空區。經過對該部分的混凝土進行破土取樣后發現，反射信號是由于在開挖過程中有超挖現象，回填石塊后所致，脫空的深度為0.3m，范圍為0.6m。

2.3.2 二次襯砌的檢測

（1）檢測結果

二次襯砌檢測結果的時間為2018年8月—2019年3月。經地質雷達檢測后發現，二次襯砌的厚度滿足工程計劃的相關要求，但在質量方面存在著部分問題，主要體現在拱頂位置襯砌背后的脫空現象。共計發現8 處，長度約為30m，分析其原因可能與隧道建設過程中采用的施工工藝有關。隧道拱部的位置不夠平整，防水板鋪設過緊，混凝土坍落度較大，拱部更容易出現二次襯砌背后的空腔現象。

（2）雷達圖像分析

雷達圖像分析主要選取隧道右線的（YK67+360—YKZ67+450）段，該段襯砌設計為SIVc 型，厚度為40cm。檢測線分別設在拱頂、左右拱腰與邊墻位置，采用連續檢測。

（a）二次襯砌厚度的檢測，經地質雷達檢測后，運用軟件將其數據轉化為圖像。從圖像可以發現，地質雷達發射的電磁波在襯砌混凝土中傳播，當遇見鋼拱架、防水層等物質時，出現了不同類型的反射波形，依據該波形可以判斷二次襯砌的分層位置。在素混凝土中，由于混凝土的性質，圖像顯示的反射幅度較弱，為判斷分層位置，通常選擇反射較強的鋼拱架表面的混凝土。而對于鋼筋混凝土的二次襯砌分層位置，一般選擇內層鋼筋網下方出現的強反射信號點，然后由雷達軟件自動識別出厚度分界線。（b）二次襯砌背后的缺陷檢測，通過對地質雷達檢測后所形成的圖像進行分析后可以發現，二次襯砌背后的缺陷位置為（YKZ67+605.2—YKZ67+607.3）段的拱頂，存在的缺陷為三角形脫空，長度約為1.2m。通過地質雷達檢測后發現，該位置的反射信號較強且振幅較大。分析產生脫空的原因是施工工藝，因工藝的限制導致向拱頂投送混凝土的坍落度小，且受重力的影響出現了空隙而導致脫空現象。

（3）仰拱及回填層密實性的檢測

仰拱作為隧道施工中最為重要的部分，其質量將直接影響整個隧道的質量，關系襯砌結構的受力狀況，此外其厚度和回填層的密實性也會影響隧道內行車的安全和路面的穩定性。采用地質雷達進行檢測的位置為左右距離隧道中線，通過對該部分進行連續掃描與鉆芯取樣檢測后發現，回填層的密實性較低且部分區域有脫空的現象。結合雷達檢測結果，選取了（YK66+439—YK66+442）段的雷達圖像。通過圖像顯示可以發現脫空和不密實帶主要集中于填充頂的下方，位置為50～100cm 之間，回填層檢測中有大量的片石混凝土，出現脫空的位置反射波所發出的頻率明顯較低且振幅大，而不密實帶的反射波形呈現雜亂無章的狀態，且成分散的繞射弧形。鉆芯取樣后，對其進行檢測發現，鉆芯內的碎石較為松散且夾雜著大量的泥土，脫空位置的石塊較大，尚未完全被混凝土包裹，較為松散。

3 結語

綜上所述，通過對地質雷達在隧道中的應用實例分析發現，地質雷達檢測技術對于隧道工程的質量檢測來說具有十分重要的意義，依據雷達所發射的電磁波信號以及經軟件對隧道的具體數據和圖像的分析，能夠準確、客觀且全面地反映出隧道的質量，并對檢測過程中發現的隧道質量問題加以糾正，從而保證隧道的施工質量。與此同時，為隧道的施工人員以及設計人員提供重要的依據。