地質雷達在武廣高速鐵路坪石隧道襯砌質量檢測方面的應用

王艷麗，劉興華

（廣東省核工業地質調查院，廣東 韶關512028）

地質雷達在武廣高速鐵路坪石隧道襯砌質量檢測方面的應用

王艷麗，劉興華

（廣東省核工業地質調查院，廣東 韶關512028）

隧道混凝土襯砌是重要的支護措施，襯砌質量的好壞對隧道的長期穩定、使用功能的正常發揮以及外觀美均有很大影響，因此對混凝土襯砌質量的檢測工作也顯得尤為重要。本文重點探討了地質雷達在隧道襯砌質量檢測方面的應用。

地質雷達；隧道；襯砌；數據處理

1 引言

自20世紀50年代以來，我國隧道修建數量大幅度增加。1950～1984年期間共建成標準軌距鐵路隧道4247座，總延長2014.5公里，成為世界上鐵路隧道最多的國家之一。而襯砌作為隧道的永久支護結構，其作用至關重要。在隧道施工中，隧道混凝土襯砌常出現許多質量問題：襯砌厚度不足或內部存在切線、背后存在空洞、混凝土開裂、混凝土強度不夠等。針對常見的質量問題，按照檢測方法的不同可分為：襯砌厚度、內部切線及背后空洞的雷達檢測；襯砌混凝土強度、混凝土缺陷（裂紋等）的無損檢測。

襯砌混凝土厚度及背后空洞的檢測方法一般有直接鉆孔法和無損檢測方法。直接鉆孔法除了有不能以點代面的局限性外，還由于鉆孔會穿透防水板造成隧道地下水的滲漏，因此很少使用。目前國內外無損檢測采用較多的方法主要有兩種：地質雷達法和聲波法（沖擊回波法、反射波法）。地質雷達檢測法因其可連續測線和較高的精度而被普遍采用。本文著重介紹地質雷達在隧道襯砌混凝土質量方面的檢測。

2 地質雷達法基本原理和檢測方法

地質雷達與探空雷達相似，利用高頻電磁波（主頻為數十至數百乃至數千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經地下地層或目的物反射后返回地面，被另一天線接收。脈沖波旅行時間為t。當地下介質的波速已知時，可根據測到的準確T值計算反射體的深度。雷達系統的基本部分如圖1。

圖1

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性主要有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面，不同的地質體（物體）具有不同的電性。因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會產生回波。

地質雷達在勘查中的基本參數描述如下：

電磁脈沖波旅行時

式中：z—勘查目標體的深度；x—發射、接收天線的距離（式中因z＞x，故X可忽略）；v—電磁波在介質中的傳播速度。

圖2

電磁波在介質中的傳播速度

式中：c—電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m／ns）；εr—介質的相對介電常數，μr—介質的相對磁導率（一般μr≈1）。

電磁波在介質傳播過程中，當遇到相對介電常數明顯變化的地質現象時，電磁波將產生反射及透射現象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數有關：

式中：r— 界面電磁波反射系數；ε1—第一層介質的相對介電常數；ε2—第二層介質的相對介電常數。

地質雷達記錄時間和勘查深度的關系：

式中：z—勘查目標體的深度；t—雷達記錄時間。

3 數據處理與解釋

雷達天線沿所測測線連續滑動，所測的每個測點的時間曲線可以匯成時間剖面圖像。從一個測點的反射時間上去判別哪一個波反映什么是很困難的，但是多個測點資料匯成的時間剖面、各測點接收到的同一反射面的反射波匯成一定圖像，就能直觀地反映出各種不同的反射面。根據這些圖像即可辨別不同的物體，時間剖面圖像是地質雷達成果的基本圖件。

數據處理應注意一下幾個問題：

（1）原始數據處理前應回放檢驗，數據記錄應完整、信號清晰，里程標記準確。不合格的原始數據不得進行處理與解釋；

（2）數據處理與解釋采用流程如圖3所示；

（3）數據處理應確保位置標記準確、無誤。

另附表1：不同頻率天線的穿透深度。

圖3 數據處理與解釋流程圖

表1 不同頻率天線的穿透深度

4 應用實力

4.1 工程介紹

2007年3月22～23日對坪土隧道進口DK1904＋723～990區段的隧道襯砌（一襯），進行無損勘探。使用地質雷達方法，對隧道工程襯砌質量進行無損勘探。共布置兩條測線，采用的天線頻率為500MHz。由于現場條件限制每條測線分2次完成，故收集4條測線的數據。測線所在里程樁號為DK1904＋723～990，地質雷達測線布置示意圖如圖4所示。

圖4 地質雷達測線布置示意圖

4.2 資料處理與解釋

本文挑選兩條測線的圖像進行解釋說明。

（1）測線1襯砌后缺陷雷達勘探（圖5～8）

從以上測線1的四幅雷達圖可以清晰分辨出一襯砌與圍巖的界面。襯砌的厚度約為50cm（以雷達波速為0.1m／ns計算）。襯砌內部雷達反射波同軸連續性相當完整，雷達反射強度在無臺車和鋼拱干擾的情況下基本不變。根據對比分析，在DK1904＋955.5和DK1904＋963.5位置處鋼拱后存在少量脫空現象。

圖5 測線1雷達勘探成果圖

圖6 測線1雷達勘探成果圖

圖7 測線1雷達勘探成果圖

圖8 測線1雷達勘探成果圖

（2）測線2襯砌后缺陷雷達勘探（圖9～12）。

從測線2雷達圖可以清晰分辨出一襯與圍巖的接觸面。通過對比分析可知，DK1904＋833處存在超挖現象；DK1904＋918處、DK1904＋929處、DK1904＋918處、DK1904＋958處存在噴漿疏松現象；DK1904＋982處存在噴漿疏松和少量脫空現象。

圖9 測線2雷達勘探成果圖

圖10 測線2雷達勘探成果圖

圖11 測線2雷達勘探成果圖

圖12 測線2雷達勘探成果圖

5 結論

地質雷達具有其他傳統方法無法比擬的優點，因而在隧道工程襯砌質量檢測中得到了廣泛應用。但地質雷達對場地的要求比較苛刻，場地的好壞直接影響數據采集質量的高低。有了好的數據我們再通過數據處理解釋、圖像識別，進而得出推斷。這樣才能為隧道襯砌質量檢測提供良好的依據。

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P631.41

A

1009－282X（2012）02－0032－04

2012－03－07

王艷麗（1987－），女（漢族），河北保定人，現系廣東省核工業地質調查院物探隊技術人員，從事物探行業兩年，助理工程師，Tel：13826379911，E－mai：26978321＠qq.com；劉興華（1985－），男（漢族），江西吉安人，現系廣東省核工業地質調查院物探隊技術負責，從事物探行業4年，助理工程師，Tel：13922597009，E－mail：524043105＠qq.com。