探地雷達檢測水損壞后隧道仰拱完整性

使用探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）技術評估地鐵隧道的狀況。試驗采用雙頻200 MHz和600 MHz天線，并以平行和垂直布置形式，以確定適用性好、穿透深度大且能有效排除附近金屬干擾的最佳參數設置。結果表明，600 MHz天線在調查深度和圖像清晰度方面表現更好，雙極化能夠抑制金屬干擾。從GPR數據中推導元素厚度與實際厚度的數值比較表明，實際值與測量值間差異不超過10%。

地鐵隧道； 無損檢測； GPR

U456.3+3A

［定稿日期］2023-07-11

［作者簡介］陳敏（1983—），男，碩士，高級工程師，主要從事城市軌道交通建設管理工作。

0 引言

地鐵隧道是現代城市中重要的基礎設施之一，其結構健康的評估對于保障乘客安全和提高運營效率至關重要［1-2］。然而，長期使用和外部環境因素可能導致隧道狀況的惡化，其中水滲透是一個常見的問題。因此，準確評估地鐵隧道的狀況和確定潛在的問題區域成為了一個重要課題。

探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）技術作為一種非破壞性、實時性強的調查方法，已被廣泛應用于地下結構的評估和監測［3］。劉恩軍等［4］對礦山法施工隧道襯砌可能出現的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、隧道圍巖欠挖及二襯厚度不夠等病害探地雷達圖像特征進行分析，總結各種病害的的異常特征。徐從杰等［5］研究表明對于地鐵隧道結構襯砌厚度、襯砌脫空、襯砌不密實及襯砌后圍巖地質情況檢測工作，在結果準確度方面，車載探地雷達可以達到人工探地雷達檢測的效果，同時在信號連續性和清晰度方面具有較好的優勢。但吳文豐［6］認為地下水浸透隧道襯砌，干擾了探地雷達的檢測效果。探測深度遠低于40 cm的目標，沒有達到測試整個隧道襯砌的可靠性要求。本文旨在探討GPR技術在地鐵隧道狀況評估中的應用，并探究客服地下水對探地雷達的干擾，使探測深度提高到100 cm以上。研究采用了不同的GPR設備配置，并通過初步測試選擇了最佳的設備設計，以準確測量隧道地層的厚度變化。通過采集和處理GPR數據，研究得出了隧道底板厚度的幾何描繪結果，并與直接鉆孔的測量結果進行了驗證，證實了GPR技術在提供準確和可靠的隧道狀況信息方面的優勢。

本研究的成果為地鐵隧道工程和維護領域的專業人員提供了一種先進的工具和方法，以評估隧道結構的健康狀況并制定相應的維護策略。通過應用GPR技術，可以實現對地下結構的快速、非破壞性調查，提高運營效率和乘客安全。因此，本文的研究結果對于提升地鐵隧道狀況評估的準確性和可行性具有重要意義，同時為GPR技術在城市基礎設施監測和評估中的應用提供了有力支持。

1 工程概況

某地鐵是一條受到地下水位上升影響比較嚴重的地鐵線路。主要是由于該地區地下水資源豐富，地下水位相對較高，且地鐵線路穿越的區域水系豐富。隧道底板因直接與周圍土壤和地下水接觸，受到最嚴重的損害。

地下水位上升除了對隧道結構產生影響，這種狀況還使地鐵列車運營相關存在重大安全隱患。如果水位達到軌道水平，信號盒和設備雖然在一定程度上可以在潮濕條件下運行，但長期浸泡在水中極易發生故障。調節列車速度和位置至關重要的信號或電氣系統受到水損壞可能導致地鐵臨時停運。即使水沒有使列車停止運行，但列車在通過受影響區域時仍需降低運行速度以防止損壞，從而導致延誤。

從原始圖紙中提取出的考慮的隧道橫截面如圖1所示，同時還提供了主干道下部的示意地層。仰拱的厚度為50 cm，而上方填充的混凝土延伸到段的頂部，大約為55 cm。因為隧道底板是在施工過程中直接澆筑，所以從軌道水平到周圍土壤界面預計總共存在10 cm的厚度。

為了對結構狀況進行首次初步檢查，提取了一個樣本，如圖2所示。樣本結果顯示了高度受損的情況，隧道底板的厚度已經減少到原始設計的大約五分之三。基于這些結果，有必要明確確定厚度分布，以評估隧道主干道的完整性。

2 參數設置研究

2.1 干擾因素

通過現場調研發現下列環境因素會影響GPR測量結果：

（1）鐵軌使GPR平臺不能直接接觸平面，干擾了耦合過程的效率，也削弱了能夠有效傳播到地下的能量。

（2）該區域尤其是在上部結構中存在多個金屬反射體，不僅影響了所獲取數據質量，還影響了達到隧道底板的可能性。

（3）構成材料之間的相似性可能限制了電磁阻抗對比度，從而限制了兩個元素之間界面的可檢測性。

（4）多個雙曲線反射可能嚴重降低GPR圖像的清晰度，而高金屬含量的存在將嚴重降低穿透能力。

2.2 參數設置

為確定能夠滿足穿透和分辨率要求的GPR系統參數，即能夠達到隧道底板（基準為110 cm）并檢測到最小厚度為10 cm的數值。沿軌道外側進行了10 m長GPR剖面測量。

為了解決分辨率、測量深度和圖像清晰度之間的問題，對兩個參數進行測試：（1）系統頻率和帶寬：設備的中心頻率分別為200 MHz和600 MHz，帶寬分別為100～300 MHz和300～900 MHz；（2）系統極化方式：平行于軌道方向和垂直于軌道方向的極化方式。首先，使用兩臺由IDS GeoRadar s.r.l提供的雙頻GPR設備安裝在一個PVC滑臺上。該設備是一種沖擊式設備，配備了兩對天線，分別間隔10 cm和19 cm，用于600 MHz和200 MHz頻段。每個天線重約6 kg，尺寸為40 cm×50 cm。具體采集參數如表1所示。

每個設備具有特定的極化配置，如圖3所示。前方設備始終與測量方向平行，而滑臺末端的設備則是垂直正側向極化。這種設計旨在驗證哪種配置能夠避免由于隧道中存在金屬材料而產生的噪聲和干擾，以最大限度提高圖像可讀性。

2.3 GPR參數優選

圖4和圖5給出了200 MHz和600 MHz的測試結果。

根據結果分析，檢查深度可達150 cm，遠遠超出了基準的120 cm，因此兩個參數的測量深度都能夠達到所需值。然而，從分辨率的角度來看，600 MHz參數設置的雷達圖更清晰，可以提供更高的分辨率。通過比較圖5和圖6，可以看出200 MHz低頻設備無法保證檢測到位于地表以下與軌道方向垂直對齊的鋼筋層。因此，綜合考慮測量深度和分辨率要求，使用600 MHz設備進行GPR測量是更合適的選擇。

平行極化配置（VV配置）成功地最小化了加固鋼筋和周圍金屬干擾的影響，檢測圖像清晰度更高。如果將分析焦點放在40～80 cm的深度范圍內，可以清晰地看到混凝土填充物的底部和隧道底板的頂部。然而，在使用垂直極化配置（HH配置）得到的剖面中，這些特征幾乎完全被加固鋼筋的高幅值所掩蓋。但不可否認的是，HH極化的回波強度通常大于VV極化，因此推薦雙極化方式。

加固鋼筋和隧道底板之間的物理分離或具體施工差異可能導致這些特征在雷達結果中的清晰可見性。水的存在也可能導致分離特征更明顯。由于底部段的飽和條件，水分可能在隧道底板和混凝土填充物之間產生更明顯的阻抗對比，或者填滿兩者之間的空脫離間隙。無論是哪種情況，其結果都是強烈的反射事件，能夠觀察到兩個特征之間的界面。GPR測試的厚度與實際厚度之間的差異約為0.03 m，這說明GPR檢測數據的有效性。另外，從圖5中還可以觀察到隧道底板的厚度明顯減小，與實際鉆芯取樣的調查結果一致。

綜上所述，最佳的系統配置是使用600 MHz的工作頻率以確保穿透深度和分辨率性能，并采用垂直極化配置（HH配置）進行深度轉換，平行極化配置（VV配置）進行正確識別和描繪隧道結構的幾何屬性。

3 實地測量

3.1 GPR檢測結果

根據初步測試的結果，選擇了雙極化測量方法。數據采用與表1相同的參數進行采集，并沿著650 m長的剖面進行檢測，檢測方法如前所述。

根據GPR剖面推斷的結果，隧道地層的幾何描繪呈現在圖6中。從結果中可以驗證隧道基底完整性降低的推斷，并觀察到隧道底板的厚度值在0.5 m（對應未受損隧道的原始厚度）到0.1 m之間變化，這種情況持續了約180 m。

另一方面，最受損的區域位于兩個幾乎保持原始厚度的區域之間，這可能表明了水涌入的主要通道。整體而言，可以觀察到高度不規則的分布模式和整體厚度的減小。值得注意的是，混凝土填充層厚度與原始設計幾乎沒有變化，這表明水流繞過填充物而非穿過混凝土填充物。

3.2 GPR檢測準確性驗證

為驗證檢測結果的可靠性，在650 m長的隧道段上選取9個鉆芯點，現場取樣測量實際值并與檢測結果進行對比結果如表2所示。鉆芯結果證實仰拱結構厚度非均勻變化，這種非均勻變化與GPR結果中檢測到的厚度變化一致。

根據表2中的數據，可以看出測量值與從GPR結果估計的值之間的差異不超過10%，證明了使用GPR檢測混凝土填充物及仰拱厚度的方法具有可信度。此外，值得注意的是，從GPR數據中可以提取的隧道狀況惡化信息幾乎無法通過其他調查技術（直接和間接）以相同的一致性和準確性進行獲得和驗證。這進一步證明了GPR在評估隧道結構的有效性和獨特性。

4 結論

（1）200 MHz與600 MHz都具有180 cm左右的檢測深度，且600 MHz參數設置檢測結果分辨率更高。200 MHz低頻設備無法保證檢測到位于地表以下與軌道方向垂直對齊的鋼筋層。

（2）雙極化能夠抑制金屬干擾，從GPR數據中推導的元素厚度與實際厚度的數值比較表明，實際值與測量值之間的差異不超過10%。

（3）本研究的成果為使用GPR技術評估地下結構完整性提供了有力支持，為隧道工程和維護領域的專業人員提供了一種非破壞性、高效和準確的方法，以評估隧道結構的健康狀況并制定相應的維護策略。

參考文獻

［1］ 董飛，房倩，張頂立，等.北京地鐵運營隧道病害狀態分析［J］.土木工程學報，2017，50（6）：104-113.

［2］ 韋文瑜.超聲波和探地雷達對隧道襯砌病害檢測效果研究［J］.鐵道運營技術，2023，29（2）：36-39.

［3］ 閆永峰.探地雷達在水利工程隧道襯砌脫空質量檢測中的應用［J］.廣東水利水電，2023，324（2）：15-19.

［4］ 劉恩軍，馮強，余海忠.地鐵隧道襯砌病害探地雷達圖像特征分析［J］.現代城市軌道交通，2022（4）：41-45.

［5］ 徐從杰，陳陽，司小東，等.運營地鐵隧道車載探地雷達襯砌檢測適用性研究［J］.現代隧道技術，2022，59（S1）：627-634.

［6］ 吳文豐.無損檢測方法在單殼隧道襯砌中的實際應用［J］.建筑機械，2023，566（4）：139-143.