地質雷達在隧道襯砌檢測中的應用研究

胡圣輝 梁世剛 周小兵 韋榕寬

作者簡介：胡圣輝（1993—），碩士，工程師，主要從事隧道巖土工程檢測工作。

文章著重研究素混凝土、鋼筋混凝土介電常數與齡期的關系和二襯配筋段雷達天線不同前進方向對雷達圖像識別的影響。研究發現：隨著齡期的增加，相對介電常數逐漸減小，到28 d后趨于平穩，此時檢測圖像由于混凝土內部的水汽干擾減小，圖像目標的識別更加清晰；400 MHz與900 MHz地質雷達天線在45°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針45°）檢測鋼筋混凝土襯砌時，檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像差距不大，但在90°及270°方向檢測鋼筋混凝土襯砌時，檢測圖像淺部目標信息難以識別，深部目標信息與0°方向的差距不大。

地質雷達；介電常數；檢測圖像

U456.3+3A331183

0?引言

近年來，地質雷達被廣泛應用于公路隧道襯砌施工質量檢測。作為一種無損檢測手段，地質雷達可以有效評價既有隧道安全質量狀況，并及時發現新建隧道質量缺陷，在施工階段對隧道施工質量進行過程控制。地質雷達法檢測二次襯砌質量時，由于隧道二次襯砌存在不均勻性且隧道環境變化復雜，地質雷達檢測二襯時，標定的混凝土介電常數不能完全反映隧道整體的介電常數，得出的二次襯砌厚度值應允許一定范圍誤差［1］。隧道二襯厚度的判別不僅與介電常數的選取相關，且與檢測圖像的效果息息相關，為獲取良好的地質雷達圖像，提高數據解釋的準確性，地質雷達現場檢測增益設置應盡量在遠離干擾源的邊墻處進行［2］，根據現場實際情況調整時間窗、樣點數、掃描速度、增益［3］。二次襯砌素混凝土段，采集的雷達圖像，具有分層清晰、較易識別的特點，而對二次襯砌配筋密集地段，從采集的雷達圖像識別襯砌厚度有一定的困難性。有學者認為針對二次襯砌配筋密集地段可適當提高天線頻率，增加超聲橫波反射成像技術可提高二襯厚度判識準確率［4］。雷達圖像識別一直是行業研究的熱點，特別是在二襯配筋段采集的雷達圖像，由于其存在“趨膚效應”，采集的圖像較難識別，工程上一般根據實際情況采用濾波、反褶積、偏移等手段壓制干擾波，實現去偽存真。其中，反褶積處理在對鋼筋混凝土襯砌質量雷達檢測數據時，通過壓制多次反射波，一般會有較好的效果［5］，偏移手段成像處理可以有效識別間距較小的第二排鋼筋，但當鋼筋埋深增加，反射信號會減弱［6］，當二次襯砌鋼筋保護層厚度過薄時，由于在襯砌表面發生了多次強反射，對中深層的缺陷信號判斷會存在一定的干擾，此時反褶積及偏移手段效果對數據分析幫助較小。針對二襯配筋段深層信號判斷，有學者認為二襯配筋段檢測時，地質雷達天線采用TM模式（即天線移動方向與主筋垂直）時，淺層的目標體信息易識別，深層的目標體信息不易識別；采用TE模式（即天線移動方向與主筋平行）時，深層的目標體信息易識別，淺層的目標體信息不易識別［7］。地質雷達檢測圖像判別不僅與二襯配筋段“趨膚效應”相關，與二次襯砌澆筑齡期也息息相關，早期混凝土由于濕度梯度的存在，導致介電常數隨著測試深度增加而增大［8］，有學者認為地質雷達檢測二襯質量應在澆筑60 d后，也有學者認為二襯澆筑28 d后雷達檢測圖像影響（厚度及缺陷）較小。隧道檢測襯砌質量除關心襯砌厚度這個指標外，還關心襯砌背后空洞這個指標，地質雷達檢測隧道二次襯砌時，層間脫空一般較易識別，但識別層間脫空是否含水則較難識別，有學者提出可根據相位特征來識別層間脫空是否含水，其認為，反射波主峰表現為負波（通常為黑色）時，層間脫空不含水；反射波主峰表現為正波（通常為白色）時，層間脫空含水［9］。當現場情況復雜時，應優化檢測方法，采用地質雷達、錘擊、鉆芯探測等多種檢測方法組合檢測，提高檢測的準確性。目前對地質雷達檢測的研究，主要集中在各類典型缺陷圖像的識別上，部分學者研究了混凝土齡期對雷達檢測圖像的影響，亦有部分學者采集雷達自帶軟件功能進行二襯配筋段的檢測圖像處理識別，各學者所做工作都局限在某一方面，對工程檢測數據采集與判識參考性有限，針對此，本文著重研究素混凝土、鋼筋混凝土介電常數與齡期的關系、二襯配筋段雷達天線不同前進方向對雷達圖像識別的影響。

[HS（3*1]1?地質雷達不同前進方向對雷達圖像識別的影響研究

地質雷達在鋼筋襯砌混凝土質量檢測中的應用性較差，主要原因為密集的鋼筋會產生“趨膚效應”，入射電磁波在襯砌鋼筋中會產生大部分反射或損失，導致深處出現盲區，無法識別二襯襯砌背部的有效信息。有學者認為二襯配筋段檢測時，地質雷達天線采用TM模式（即天線移動方向與主筋垂直）時，淺層的目標體信息易識別，深層的目標體信息不易識別；采用TE模式（即天線移動方向與主筋平行）時，深層的目標體信息易識別，淺層的目標體信息不易識別，基于此，本次試驗以400 MHz與900 MHz雷達天線上標出的正向箭頭為基準，前進過程中，逆時針分別從0°、45°、90°、135°、180°、270°檢測同一段數據，具體數據如圖1、圖2所示。

400 MHz與900 MHz地質雷達天線在0°方向（即前進方向與天線上標出的方向相同）檢測鋼筋混凝土襯砌時，400 MHz天線檢測圖像局部可見背部鋼拱架，可通過局部鋼拱架來大致判斷鋼筋混凝土襯砌厚度；900 MHz天線檢測圖像較難看出背部鋼拱架，鋼筋混凝土襯砌厚度只能估計，存在一定的不確定性。

400 MHz與900 MHz地質雷達天線在45°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針45°）檢測鋼筋混凝土襯砌時，400 MHz天線檢測圖像局部可見背部鋼拱架（圖3），檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像差距不大，也可通過局部鋼拱架來大致判斷鋼筋混凝土襯砌厚度；900 MHz天線檢測圖像較難看出背部鋼拱架（圖4），檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像相比，深部的水平層理增多，鋼筋混凝土襯砌厚度依舊只能估計，也存在一定的不確定性。

有學者認為二襯配筋段檢測時，采用TE模式（即天線移動方向與主筋平行）時，深層的目標體信息易識別，淺層的目標體信息不易識別，如圖5、圖6所示，采用400 MHz與900 MHz地質雷達天線在90°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針90°，TE模式）檢測鋼筋混凝土襯砌時，400 MHz天線檢測圖像深部局部可見背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°與45°方向的檢測圖像差距不大，但淺部的鋼筋目標體信息基本無法識別；900 MHz天線檢測圖像較難看出背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°與45°方向的檢測圖像相比，差距不大。

如圖7和圖8所示，400 MHz與900 MHz地質雷達天線在135°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針135°）檢測鋼筋混凝土襯砌時，400 MHz天線檢測圖像局部可見背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像差距不大；900 MHz天線檢測圖像較難看出背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像相比，深部出現了多次震蕩。

如圖9、圖10所示，400 MHz與900 MHz地質雷達天線在180°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針180°）檢測鋼筋混凝土襯砌時，400 MHz天線檢測圖像局部可見背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像差距不大；900 MHz天線檢測圖像較難看出背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像相比差距不大。

如圖11、圖12所示，400 MHz與900 MHz地質雷達天線在270°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針270°，TE模式）檢測鋼筋混凝土襯砌時，400 MHz天線檢測圖像深部局部可見背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°與45°方向的檢測圖像差距不大，但淺部的鋼筋目標體信息基本無法識別，與90°方向的檢測圖像類似；900 MHz天線檢測圖像較難看出背部鋼拱架，檢測圖像與地質雷達天線在0°與45°方向的檢測圖像相比，差距不大。

2?討論

2.1?襯砌混凝土齡期對介電常數及雷達圖像的影響

襯砌混凝土的配制主要采用砂石、水泥及水，其中砂石與水泥的相對介電常數差距不大，一般為5、6，水的相對介電常數較砂石明顯較大，一般為81。由此可知襯砌混凝土中的含水情況對介電常數的影響極大，在襯砌混凝土澆筑完成后，水泥與水發生水化反應，隨著混凝土齡期的增加，襯砌混凝土中的含水量逐漸減少，襯砌混凝土的相對介電常數逐漸減小，對于隧道中常見的C30的混凝土襯砌，28 d內隨著水化反應的進行，襯砌混凝土含水量隨時間增長而逐漸減小，介電常數也隨之減小，28 d以后隨著水化反應急劇減緩，襯砌混凝土中含水量基本不發生變化，相對介電常數逐漸趨于穩定［3］，有學者在襯砌混凝土不同齡期，取相同介電常數測試襯砌混凝土厚度，也得出了類似規律，如表1所示。即襯砌混凝土的相對介電常數在齡期28 d后呈基本穩定趨勢，混凝土厚度實測值也逐漸趨于平穩，28 d后的混凝土厚度實測值離散型偏低。

襯砌混凝土齡期不僅對介電常數影響較大，而且對雷達檢測圖像的清晰度有較大的影響。當襯砌混凝土齡期為7 d時，此時襯砌混凝土含水量較高，整體密實度較差，電磁波在襯砌混凝土內部衰減嚴重，出現采集有效深度不深，深層信息無法識別的現象；當襯砌混凝土齡期為14 d時，水化反應產物不斷填充于孔隙中，混凝土的密實度有所提高，電磁波在襯砌混凝土內部衰減程度減弱，此時雷達采集有效深度增加，但對部分深層的信息依舊無法識別；當混凝土齡期達到28 d時，隨著水化反應的逐步減緩，襯砌混凝土含水率進一步降低，襯砌混凝土內部密實，電磁波在襯砌混凝土內部衰減較小，此時可探測到深層的有效信息。

2.2?地質雷達法檢測隧道襯砌檢測的不確定因素

（1）電磁波波速標定：依據規范每座隧道電磁波波速標定≥1處，當隧道長度＞3 km、襯砌材料或含水量變化較大時，應適當增加標定點數。混凝土材料、齡期和含水量的不同，對電磁波波速影響均較大，因此在實際檢測中，電磁波波速的標定遠不能滿足要求，造成襯砌厚度或空洞深度的判釋存在一定的誤差。基于此，建議隧道襯砌電磁波波速應在齡期28 d后進行標定，每次檢測時，有條件的均進行標定。

（2）測線的不確定性：地質雷達檢測是一種以線代面的檢測，嚴格意義上來說仍是一種抽檢，因此測線如何布

置，布置在哪里就尤為重要。雖然規范規定了隧道檢測縱向布線的位置和數量，但是由于檢測時檢測臺車和檢測人員的因素影響，很難保證同一測線總處于隧道同一位置，給襯砌空洞的處治位置帶來了不確定性。

（3）檢測臺車和檢測人員的不確定因素：目前檢測臺車大多采用在汽車、裝載機等上焊接鋼管架結構或采用可升降的支架等，此類方法均存在一定的安全隱患，且由于隧道內路面不平整，高低起伏，檢測臺架在行走過程中容易晃動，檢測臺車宜受到隧道內擺放的各種設備和機械的阻礙。雷達天線主要依靠人工將其與襯砌表面密貼，由于檢測臺車的晃動、人員無法長時間用力等原因，造成雷達天線不能一直有效地與襯砌表面密貼。

3?結語

（1）襯砌混凝土的相對介電常數在齡期28 d后呈基本穩定趨勢，介電常數隨齡期增加逐漸減小。

（2）400 MHz與900 MHz地質雷達天線在45°方向（即前進方向與天線上標出的方向逆時針45°）檢測鋼筋混凝土襯砌時，檢測圖像與地質雷達天線在0°方向的檢測圖像差距不大，但在90°及270°方向檢測鋼筋混凝土襯砌時，檢測圖像淺部目標信息難以識別，深部目標信息與0°方向的差距不大。

（3）天線傾斜時，由于沒有完全密貼混凝土表面，會使雷達圖像出現干擾，一般建議現場嚴格按照雷達天線上箭頭方向進行檢測。

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