高原凍土隧道地質雷達法檢測分析

江 波，齊法琳，2

(1.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

地質雷達作為一種高分辨率和高準確率的結構檢測設備，因其具有快速、簡捷、無損、靈活的特點，已被廣泛應用于公路、水利等工程的結構質量檢測中［1-3］。為全面掌握運營中的青藏線高原隧道技術狀態，并考察地質雷達法在鐵路隧道襯砌檢測中的適應性，鐵科院基礎所采用地質雷達法對青藏線格拉段的昆侖山隧道進行了檢測［4］，本文對其檢測結果進行分析，以期為高原凍土隧道的養護維修提供依據。

1 工程概況

昆侖山隧道起訖里程為K968+973.77—K970+659.77，全長1 686 m。該隧道(圖1)處于多年凍土區，進口山坡為陰坡，凍土上限約2.7 m。除進口處分布約1.8 m厚的飽冰凍土外，其余為少冰、多冰凍土。出口山坡為陽坡，凍土上限2.1～3.0 m，為少冰、多冰凍土，自地表往下，隨深度的加深地層含冰量逐漸降低，在36 m以下基本無凍結冰存在，在36 m以上巖層中局部分布薄層裂隙冰。

圖1 昆侖山隧道拉薩端洞口

2 地質雷達檢測

2.1 工作原理

地質雷達主要由雷達主機和天線組成。雷達主機向天線發出控制信號，然后天線發出高頻電磁波。電磁波在襯砌和圍巖內傳播，遇到襯砌邊界、內部裂縫、空洞、圍巖等界面便會發生反射，反射電磁波被天線接收后傳回雷達主機，雷達主機對電磁波信號進行全時程數字化記錄和存儲。根據接收到的電磁波波形、強度、雙程走時等參數可推斷出目標物的空間位置、結構及幾何形態，從而達到探測隱蔽目標物的目的。地質雷達工作原理見圖2。

電磁波在同一介質中的傳播速度是不變的，根據記錄的電磁波雙程旅行時間t，可按下式算出目標物深度H

電磁波反射信號的振幅與反射系數成正比，反射系數r的計算公式為

式中，ε1，ε2為界面上、下介質的相對介電常數。

式(2)表明:界面上下介質相對介電常數的差異決定了反射系數的大小，進而決定了電磁波反射信號的強弱，即相鄰兩介質的相對介電常數的差異越大，電磁波反射信號越強，反射界面越容易識別，而隧道襯砌背后存在空洞或回填不密實時，空隙里含有空氣或水，而空氣、水與混凝土、圍巖的相對介電常數就存在較大的差異，見表1。

圖2 地質雷達工作原理示意

表1 不同介質的相對介電常數

2.2 檢測設備及其參數

本次檢測采用意大利IDS公司生產的RIS-K2型地質雷達主機，天線選擇600 MHz屏蔽天線，探測深度1.5～2.0 m，測量時窗40 ns，采樣點數512，采樣間距1 cm，觸發方式選擇距離觸發。

2.3 檢測方法

根據有關規定［5］，隧道襯砌的檢測在拱頂、左右拱腰(距軌面4.0 m高處)和左右邊墻(距軌面1.5 m)布置5道測線，見圖3。通過高空作業車將操作人員抬升到檢測位置，操作人員將天線貼近隧道襯砌表面，采用距離觸發模式對襯砌表面進行連續掃描。高空作業車以3～5 km/h的速度前進，一次可以完成對整條隧道拱頂或者拱腰部分襯砌的探測，見圖4。對兩側邊墻的襯砌檢測只需操作人員在地面上手持天線就可完成。為保證檢測數據里程與實際一致，在天線通過隧道5 m或10 m洞身標記時，里程標記觀察人員立即通報數據采集操作員，操作員在數據采集儀器上標記。

圖3 地質雷達檢測測線布置示意

圖4 隧道拱頂部位檢測

3 檢測數據處理與分析

3.1 數據處理及判識

1)數據處理

地質雷達所接收的是來自不同介質界面的反射波，其正確解釋取決于合理選擇檢測參數、數據處理方法得當、判圖經驗豐富等因素。地質雷達數據處理包括預處理(標記和樁號校正，添加標題、標識等)和進一步的處理分析。通過數據處理壓制規則的和隨機的干擾信號，突出電磁波速度、振幅和波形等有用的異常信息。本次檢測數據處理，采用的是RIS-K2型地質雷達隨機配備的GRESWIN2、IDSGRED后處理軟件包。

2)圖像判識

依據界面反射信號的強弱判讀空洞，反射波與直達波相位的關系判讀含水界面。在雷達圖像上，空洞表現為反射振幅較強、同相軸連續、波形呈弧狀，存在多次反射波等特征;回填不密實在雷達圖像上表現為振幅不強、同相軸連續性差等特征。

3.2 檢測結果分析

對檢測區段地質雷達圖像進行分析，典型雷達圖像見圖5、圖6。依據有關規定［6］，對隧道襯砌厚度不足及襯砌背后密實度等情況進行等級評定，各檢測部位襯砌病害統計結果見表2～表4。

圖5 襯砌背后回填不密實地質雷達圖(K969+862—K969+863段拱頂)

圖6 襯砌背后空洞地質雷達圖(K970+062—K970+063段拱頂)

表2 昆侖山隧道襯砌厚度不足缺陷統計 m

表3 昆侖山隧道襯砌背后空洞缺陷統計 m

表4 昆侖山隧道襯砌背后回填不密實缺陷統計 m

4 結論

1)昆侖山隧道的5條測線總長度8 430 m，襯砌厚度不足測線累計長度3 112 m，占測線總長度的36.92%，其中較嚴重地段累計長度27 m，占測線總長度的0.32%，均在拱頂部位。

2)襯砌背后存在空洞測線累計長度174 m，占測線總長度的2.06%，其中極嚴重地段累計長度61 m，占測線總長度的0.72%。

3)襯砌背后回填不密實測線累計長度441 m，占測線總長度的5.23%。其中嚴重地段累計長度10 m，占測線總長度的0.12%。

4)隧道拱腰以上，尤其是拱頂部位，病害數量較多，病害等級亦較高，建議對這些部位重點監測，對病害極嚴重區段要進行注漿加固處理。

可見，地質雷達在高原惡劣環境下也能取得較好的檢測效果，可為客觀評價高原隧道的安全性能提供可靠依據。

［1］雷剛，楊林德.公路隧道襯砌質量檢測中電磁波無損檢測方法的應用研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(增1):5081-5085.

［2］馬利平.地質雷達法在水工隧洞檢測中的應用［J］.華北地震科學，2008(9):50-52.

［3］朱海城.地質雷達檢測技術在寒冷地區客運專線隧道工程中的應用［J］.鐵道建筑，2012(6):86-88.

［4］齊法琳，江波.青藏線隧道襯砌狀態檢測評估［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2008.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10223—2004 鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運函［2004］170號 鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.