地質(zhì)雷達(dá)在黃竹山隧道檢測中的應(yīng)用

江 鋒

（福州路港交通工程試驗(yàn)檢測有限責(zé)任公司，福建 福州 350000）

隧道是高速公路在建設(shè)和運(yùn)營中不可或缺的構(gòu)造物和節(jié)點(diǎn)工程，在減少施工量、優(yōu)化施工路線以及保護(hù)周邊環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。然而，隧道往往處于復(fù)雜的地下條件，屬于隱蔽性工程，在施工過程中襯砌質(zhì)量往往無法準(zhǔn)確地檢測，隧道襯砌的鋼筋布置、襯砌的厚度以及襯砌內(nèi)部脫空等的檢測尤其困難，這會造成隧道在竣工后的長期運(yùn)營過程中有發(fā)生大變形及失穩(wěn)的風(fēng)險，嚴(yán)重時甚至?xí)斐伤淼拦安刻裙こ淌鹿省Ｒ虼耍绾慰陀^并準(zhǔn)確地評價隧道質(zhì)量是目前工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的方向。地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢查方面的應(yīng)用受到了眾多工作者的青睞，但是在實(shí)際檢測過程中常常會被各種外在或內(nèi)在因素干擾，如毛刺噪聲、直接耦合波、檢測設(shè)備質(zhì)量參差不齊以及檢測人員技術(shù)水平各不相同等，這嚴(yán)重地影響了隧道質(zhì)量檢測結(jié)果的精確度和可信度。因此，文章通過對雷達(dá)掃描圖像上信息的提煉與分析，可以較為快捷和準(zhǔn)確的識別隧道病害類型和位置。這對隧道質(zhì)量的評定與病害的處理具有重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

黃竹山隧道為分離式隧道，在起點(diǎn)和隧道出口均位于直線段，洞身位于左右線均為R=1500 m的曲線段。本合同段起點(diǎn)樁號為YK99+128，設(shè)計(jì)標(biāo)高為414.205 m 出口樁號為YK103+362，設(shè)計(jì)標(biāo)高為352.250 m，長4 234 m，縱坡分別采用-1.3%/4 234 m（樁號前進(jìn)方向上坡為正，下同）；左洞起點(diǎn)樁號為ZK99+128，設(shè)計(jì)標(biāo)高為414.205 m,出口樁號為ZK103+387，設(shè)計(jì)標(biāo)高為350.191 m，長4 259 m，縱坡分別采用-1.3%/4 259 m。

2 檢測原理及方案

2.1 檢測原理

地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測方面得到了廣泛的應(yīng)用，不但可以提升隧道質(zhì)量還可以加快工作效率。地質(zhì)雷達(dá)無損探測技術(shù)實(shí)際是通過發(fā)射一系列高頻電磁波，根據(jù)返回的電磁波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析的過程。在此過程中，信號控制器和天線裝置在無損檢測中不可或缺。控制器產(chǎn)生可控高頻電磁波信號并通過天線裝置向檢測區(qū)域發(fā)射，在隧道中的襯砌或其他介質(zhì)（圍巖）中傳播，在傳播過程中電磁波遇見裂縫或空洞等情況的時候，電磁波信號會發(fā)生折射，然后天線裝置會將返回的電磁波重新收集起來，通過軟件將波信號顯示在屏幕上并轉(zhuǎn)換成數(shù)字存儲起來有助于后續(xù)分析。以此對隧道質(zhì)量問題逐步進(jìn)行檢測。

2.2 檢測設(shè)備及參數(shù)

利用美國瑞科儀器有限公司生產(chǎn)的SIR-3000 型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行本次的隧道質(zhì)量檢測。其中天線裝置為3101A 型、中心頻率2 GHz、分辨率為5psec 以及探測深度為75 cm。表1 中給出了相關(guān)介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

表1 相關(guān)介質(zhì)的相對介電常數(shù)

2.3 檢測方案

選取黃竹山隧道中二次襯砌為檢測對象。如圖1所示一共布設(shè)了5 條雷達(dá)測線，a、a'兩條雷達(dá)測線布置在兩側(cè)拱腰處，b、b'兩條雷達(dá)測線布置在兩側(cè)邊墻處，剩下一條測線布置在拱頂處。其中需要提到的是，兩側(cè)拱腰處的雷達(dá)測線（a、a'）由于隧道現(xiàn)場各種因素影響造成實(shí)際布線布置略高于圖1 中所標(biāo)的位置。在整個檢測過程中對出現(xiàn)異常波信號的檢測位置進(jìn)行加密，現(xiàn)場復(fù)測，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 隧道縱向雷達(dá)測線位置示意

2.4 檢測數(shù)據(jù)處理

超高頻、寬頻帶電磁脈沖技術(shù)在地質(zhì)雷達(dá)中得到充分應(yīng)用，它主要通過接收反射回來的電磁波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。檢測時，電磁波的頻帶通常設(shè)置較寬，這是為了獲得更多的數(shù)據(jù)，收集的信號不可避免地受到隧道環(huán)境或雷達(dá)本身的干擾，造成數(shù)據(jù)失真。因此，為了獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果就必須對初步測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，對偏差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，對繁復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕＿@一過程往往是由專業(yè)人士進(jìn)行的，他們需要對噪音信號進(jìn)行剔除以排除干擾信號，從而使有效信號更加準(zhǔn)確。同時增強(qiáng)分辨率顯示反射波的清晰度，盡可能地提取有用信息。

本次檢測獲得的數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件（REFLEXW V5.0）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理過程包括數(shù)據(jù)提取、距離歸一化、背景消除、一維濾波、直達(dá)波時間校正、能量增強(qiáng)或減弱、二維濾波、巴特沃斯帶通濾波。數(shù)據(jù)處理方法見表2。

表2 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)常用的處理方法

3 黃竹山隧道雷達(dá)圖像判釋

3.1 襯砌空洞的識別

無損探測技術(shù)在對隧道中脫空區(qū)的檢測具有十分重要的意義。在隧道施工中，當(dāng)襯砌背后的回填體質(zhì)量不滿足規(guī)范時，圍巖與襯砌之間會產(chǎn)生一定距離的裂隙。然后當(dāng)電磁波在穿過空氣和混凝土界面時，由于兩者之間的介電常數(shù)存在較大的差異，電磁波在穿過兩者之間接觸界面時的反射信號就存在明顯的特征，特別當(dāng)脫空區(qū)域較大時，雷達(dá)圖像中所顯示的圍巖界面將更清晰。

如圖2 所示，隧道中圍巖在通常處于較為復(fù)雜的地質(zhì)條件，如隧道跨度大、圍巖等級差以及應(yīng)力環(huán)境改變后圍巖逐漸劣化等。這使得隧道中的圍巖界面由于工人的超挖欠挖形成鋸齒狀。還有就是，作業(yè)人員未利用噴射混凝土對圍巖的裸表面找平，就直接對初襯進(jìn)行噴射施工，導(dǎo)致初襯與圍巖之間由于含有雜物或溫度差而形成一些小面積的連續(xù)空洞，留下嚴(yán)重的隱患。其次就是，二襯的施工工藝與一襯不同，采用的是泵送混凝土工藝，當(dāng)模板搭接不規(guī)范時，容易在新舊混凝土的接縫位置的拱頂形成三角空洞。

圖2 二襯空洞位置圖

如圖3 所示，二襯空洞的雷達(dá)掃描圖的左右兩側(cè)差異較大，左側(cè)圈出位置附近呈條帶裝為無鋼筋的Ⅲ級圍巖，右側(cè)圖像呈無規(guī)則波動狀，展示了帶有鋼筋網(wǎng)片的IV 級圍巖。圈內(nèi)黑色條紋和白色條紋十分明顯，此為接縫處的一塊二襯空洞。

圖3 二襯空洞掃描圖

3.2 二襯中鋼筋的識別

黃竹山隧道二襯施工中，鋼筋網(wǎng)片為螺紋鋼，直徑25 mm，間距250 mm，縱橫搭接依次綁扎而成。圖4 為二襯鋼筋掃描圖像，而高頻電磁波在混凝土中的傳播速度快于在鋼筋，依據(jù)波速的差異，先到達(dá)界面的波會發(fā)生反射從而與后到達(dá)的波形成疊加，在圖像上呈現(xiàn)月牙形特征，之后可以根據(jù)圖像利用其中完整反射波在長度方向上的分布計(jì)算出二襯內(nèi)部的鋼筋間距。

圖4 二襯鋼筋掃描圖

3.3 二襯厚度的判定

在隧道襯砌中將地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)與實(shí)際操作要求有效地結(jié)合起來對二襯混凝土厚度進(jìn)行無損檢測是必要的。圍巖不同于一次襯砌和二次襯砌，它們之間具有不同的物理性質(zhì)、作用方式以及介電常數(shù)。其中一次襯砌和圍巖介電常數(shù)更大，雖然反射波幅值有較大的增加，但是分辨率卻較大的減小。其中，高頻電磁波不但會在各結(jié)構(gòu)層的分界面發(fā)生反射，而且電磁波在混凝土中的傳播速度可以被測出。利用相應(yīng)的公式，根據(jù)電磁波在不同結(jié)構(gòu)層（襯砌或圍巖）電磁波傳播的時間差和速度差，可以獲得隧道結(jié)構(gòu)層混凝土和結(jié)構(gòu)層的厚度。若一襯與二襯之間填充物出現(xiàn)質(zhì)量問題，會在分界面形成一定間隙，則可從地質(zhì)雷達(dá)圖像直接確定二次襯砌的厚度。若襯砌混凝土與噴射混凝土之間存在較少的間隙時，則電磁波通過兩種結(jié)構(gòu)的界面時不會有反射波，在圖像中界面無不規(guī)則形狀出現(xiàn)。地質(zhì)雷達(dá)電磁波通過發(fā)射天線發(fā)射后，通過反射波特征判斷襯砌質(zhì)量。反射回來的電磁波根據(jù)傳播過程中接觸的介質(zhì)不同，被接收時存在先后順序，分別是空氣直達(dá)波、二襯表面的反射波及一襯與圍巖接觸面的反射波。在隧道工程中，根據(jù)反射波的強(qiáng)弱可以在一定程度上反映襯砌的質(zhì)量。一般情況下，圍巖與襯砌之間如果接觸良好、貼合緊密而沒有明顯脫空的情況下，圖像上反映出的反射波則越不明顯，反射界面也就越不清晰。反之，圍巖與襯砌之間如脫空嚴(yán)重，則反射界面則十分清晰明顯。其中一次襯砌與二次襯砌之間和一次襯砌與圍巖之間形成的界面上反射回來的信號波一般較弱。雖然一級襯砌與二次襯砌之間的分界面始終會存在不同程度的擾動，但反射波無較大波動。

雷達(dá)反射波在二次襯砌和一次襯砌交界處一般具有兩種特性。其中第一種是波的高低頻率有很大的不同；另一種是二次襯砌與一次襯砌之間貼合不密實(shí)，有空氣間隙，則反射波圖像明顯，月牙形疊加信號較強(qiáng)。圖5 中可以清楚地觀察到一襯和二襯的分界面，根據(jù)分界面位置的垂直距離可判斷出二次襯砌的厚度。

圖5 一次襯砌和二襯交界圖

4 結(jié)論

以黃竹山隧道為例，不但詳細(xì)介紹了地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的主要有參數(shù)和工作原理，而且還總結(jié)了數(shù)據(jù)處理的過程和方法。同時利用地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)充分結(jié)合隧道實(shí)際情況設(shè)定了5 條雷達(dá)測線分別從鋼筋網(wǎng)間距、襯砌空洞和二次襯砌厚度等幾個方面進(jìn)行了應(yīng)用。利用雷達(dá)波在各種介質(zhì)界面上表現(xiàn)出不同的特征以及反射波不同波形特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地判斷不同目標(biāo)的位置、大小和分布等特征，定量地分析了隱性病害特征。這對公路隧道的檢測和防治具有重要的實(shí)際意義。