提高地質(zhì)雷達隧道襯砌質(zhì)量檢測效果的幾點措施

張家鳴

(中鐵隧道集團有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽 4 71009)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，新建的鐵路、公路隧道在逐年增加，同時，運營中的隧道暴露出來的病害也越來越多。襯砌作為隧道的主要受力結(jié)構(gòu)，對隧道的安全運營起著重要的作用。傳統(tǒng)的檢測方法主要采用開孔或開槽取樣檢測，存在效率低、代表性差、偶然性大等缺點，而地質(zhì)雷達作為一種先進的檢測技術(shù)，具有快速、高效、無損、連續(xù)、分辨率高等優(yōu)點，目前已成為隧道施工質(zhì)量檢查和運行期間隧道病害檢測的重要手段［1-2］。

時元鴻［3］以襄渝線安康至重慶段增建第二線第V標(biāo)段為例，介紹了地質(zhì)雷達電磁波反射檢測隧道襯砌質(zhì)量缺陷的測試過程及結(jié)果統(tǒng)計分析;路剛［4］通過地質(zhì)雷達分別對二次襯砌厚度、鋼筋鋼拱架分布和混凝土不密實的判別方法進行了研究;宋明藝等［5］在簡述地質(zhì)雷達基本原理及工作方法的基礎(chǔ)上，討論了地質(zhì)雷達的信號識別在鐵路、公路隧道檢測中的可行性及準(zhǔn)確性，并對地質(zhì)雷達的實測資料進行了處理及分析;康富中等［6］通過地質(zhì)雷達在昆侖山隧道中的檢測應(yīng)用，得出:隧道在高寒惡劣環(huán)境中，襯砌總體外觀質(zhì)量不佳，在兩端洞口段有滲水疏松掉塊的現(xiàn)象;襯砌背后空洞缺陷現(xiàn)象較嚴(yán)重，溫度和凍脹因素使處于高寒惡劣環(huán)境中的隧道更容易發(fā)生病害，嚴(yán)重影響襯砌的耐久性;黃亮［7］、李江林等［8］認(rèn)為利用地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量具有良好的效果;胡曉等［9］對隧道襯砌質(zhì)量檢測中地質(zhì)雷達圖像特征進行了研究;魯建邦［10］對地質(zhì)雷達探測過程中干擾物的圖像識別進行了研究;蔣昌華等［11］指出了地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的一些不足，如空洞的深度較難準(zhǔn)確判斷、襯砌中回填片石不能準(zhǔn)確識別等問題。

在用地質(zhì)雷達進行隧道襯砌質(zhì)量檢測過程中常會出現(xiàn)一些問題，如采集信號干擾大、采集信號偏弱、界面反射信號不明顯、襯砌厚度不能準(zhǔn)確提取、病害信號無法辨識、病害位置顯示不準(zhǔn)確等。這些問題中有些是地質(zhì)雷達自身的問題，有些則是檢測者操作的問題。根據(jù)作者多年的隧道襯砌質(zhì)量檢測經(jīng)驗，從現(xiàn)場操作方面闡述了提高地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量的幾點措施。

1 地質(zhì)雷達探測基本工作原理

地質(zhì)雷達是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質(zhì)反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術(shù)。其工作過程是:由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，該電磁波在地下傳播過程中遇到不同目標(biāo)體(巖土體、空洞等)的電性介面時，就有部分電磁能量被反射回來，這部分電磁信號被接收天線所接收，并由主機記錄，從而得到電磁波從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時t［1］;根據(jù)接收到波的雙程走時、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷出介質(zhì)的深度及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特征參數(shù)。地質(zhì)雷達檢測原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達檢測原理圖Fig．1 Testing principle of ground penetrating radar

雷達波的穿透深度主要取決于目標(biāo)介質(zhì)的電性和雷達天線的中心頻率。介質(zhì)的導(dǎo)電率越高，穿透深度越小，導(dǎo)電率越低，穿透深度越大;天線中心頻率越高，穿透深度越小，天線中心頻率越低，穿透深度越大。

地質(zhì)雷達在野外采集的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到有助于解釋的數(shù)據(jù)或圖像。原始資料中既包含有用信息，也包含各種噪聲，有些情況下，有用信息可能會被噪聲掩蓋。數(shù)據(jù)處理的目的是壓制噪聲、增強信號、提高資料信噪比，以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息，幫助解釋人員對資料進行解釋。

2 地質(zhì)雷達隧道檢測的幾個常見問題及處理措施

2．1 數(shù)據(jù)采集中增益設(shè)置問題

地質(zhì)雷達系統(tǒng)的增益定義為最小可探測到的信號電壓或功率與最大的發(fā)射電壓或功率的比值，通常用dB作為單位。如果以Qs表示系統(tǒng)的增益，Pmin為最小可探測信號的功率，P0為最大發(fā)射信號的功率，則有

地質(zhì)雷達探測時，增益的設(shè)置是一個重要環(huán)節(jié)，如果增益設(shè)置不好，測量值過大或過小都會影響目標(biāo)體的探測。許多剛剛從事地質(zhì)雷達隧道質(zhì)量檢測的工作人員往往不重視現(xiàn)場的增益設(shè)置，甚至認(rèn)為現(xiàn)場增益設(shè)置不合適可以通過后期數(shù)據(jù)處理軟件中的增益處理來彌補，這是非常錯誤的認(rèn)識。事實上，如果現(xiàn)場采集增益選擇不好，一旦數(shù)據(jù)被記錄以后，很難通過數(shù)據(jù)處理的辦法來增強異常。

地質(zhì)雷達系統(tǒng)具有2種增益設(shè)置方式，即自動增益設(shè)置方式和手動增益設(shè)置方式。隧道襯砌質(zhì)量檢測過程中較多采用自動增益設(shè)置，即將地質(zhì)雷達天線與隧道襯砌界面密貼，通過系統(tǒng)自動給出適合當(dāng)前介質(zhì)環(huán)境的增益參數(shù)。但是，如果現(xiàn)場選擇的增益地點襯砌背后存在明顯脫空和空洞，雷達系統(tǒng)給出的增益設(shè)置則很可能不適合正常的數(shù)據(jù)采集，致使病害反射信號減弱甚至消失，這一點在進行隧道初期支護噴射混凝土質(zhì)量檢測時尤為明顯。

要解決這一問題，應(yīng)盡量選擇在邊墻噴射混凝土密實度較好的地段進行增益設(shè)置(邊墻噴射混凝土密實與否可通過傳統(tǒng)的現(xiàn)場錘擊聽聲法確定)，盡量避免在拱部位置進行增益設(shè)置，因為隧道拱部位置往往容易發(fā)生空洞和脫空等病害。此外，現(xiàn)場增益設(shè)置時，應(yīng)注意雷達天線盡量遠離干擾物，如隧道內(nèi)的電線、金屬臺架等。

2．2 病害識別和干擾圖像辨識問題

采用地質(zhì)雷達方法對隧道襯砌進行質(zhì)量檢測的重要目的就是找出隧道襯砌的病害，如噴射混凝土不密實、襯砌背后空洞和脫空等。因混凝土、空氣和水的相對介電常數(shù)相差較大，電磁波在介質(zhì)分界面會產(chǎn)生強反射，在雷達圖中有明顯反應(yīng)，典型的病害雷達圖見圖2—4。其中，襯砌不密實在雷達圖中表現(xiàn)為團塊狀較強反射異常，信號波形紊亂(因隧道超挖，用片石回填，片石間存在空隙而造成不密實，在雷達圖像中表現(xiàn)出雜亂的強反射，見圖2);空洞在雷達圖中表現(xiàn)為弧形多次強反射;脫空在雷達圖中表現(xiàn)為成層狀的強反射信號特征，其縱向尺寸與空洞厚度比值較大。

圖2 襯砌不密實雷達圖Fig．2 Ⅰmage of incompact lining obtained by radar

圖3 襯砌空洞雷達圖Fig．3 Ⅰmage of hollow lining obtained by radar

圖4 襯砌脫空雷達圖Fig．4 Ⅰmage of separated lining obtained by radar

因隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)和環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多，采集到的數(shù)據(jù)中往往包含許多干擾信號，若在分析中沒有將這些干擾信號辨別，很可能對病害進行誤報。隧道內(nèi)典型的避車洞、預(yù)埋管和臺架干擾信號雷達圖見圖5—7。

要想提高隧道病害識別和干擾圖像辨別的準(zhǔn)確度，只了解隧道內(nèi)典型病害和干擾信號雷達圖是不夠的，檢測者必須熟悉隧道的設(shè)計和施工技術(shù)，有針對性地尋找雷達圖中的病害信號。如隧道超挖嚴(yán)重時，初期支護拱架后往往存在背后脫空和空洞等病害，在雷達圖中一般在深度為20～40 cm位置處開始出現(xiàn)異常強反射;二次襯砌和初期支護間的病害往往存在于隧道拱部，兩模交界地段常出現(xiàn)不密實和空洞等病害。另外，對于隧道內(nèi)明顯的干擾源要仔細(xì)做好記錄工作，現(xiàn)場記錄越詳盡，越有利于對數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)分析;同時，應(yīng)準(zhǔn)確判別異常信號是來源于襯砌內(nèi)，還是隧道內(nèi)其他干擾源。當(dāng)天線在移動中與襯砌表面距離產(chǎn)生變化時，襯砌與圍巖之間的反射信號與表面反射信號同步變化，而隧道內(nèi)干擾源的各種反射波則表現(xiàn)為反向變化，形成明顯的反差，依此可判定反射波是來自于襯砌內(nèi)還是隧道內(nèi)。

圖5 避車洞雷達圖Fig．5 Radar image interfered by niche

圖6 預(yù)埋管雷達圖Fig．6 Ⅰmage of embedded pipes obtained by radar

圖7 臺車和臺架干擾雷達圖［10］Fig．7 Radar image interfered by formwork trolley and working platform

2．3 隧道襯砌厚度檢測問題

采用地質(zhì)雷達進行隧道襯砌厚度檢測時，需要知道雷達電磁波在襯砌介質(zhì)中的傳播速度v和電磁波在襯砌底面反射的雙程走時t。電磁波在襯砌介質(zhì)中的速度主要由介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε決定，而襯砌底面反射的雙程走時t主要取決于反射底面的精確拾取。在實際檢測過程中，通常采用在襯砌上鉆孔直達圍巖，然后丈量襯砌厚度d，再根據(jù)孔旁雷達波反射的雙程走時 t，反算波速 v的方法［12］。

由于丈量襯砌厚度和拾取反射底面存在誤差，使得反算得到的波速v也存在一定誤差;同時，由于隧道內(nèi)襯砌混凝土密度、強度的離散性以及混凝土的固化程度、原材料的差異性等原因，電磁波在同一隧道不同地段襯砌混凝土介質(zhì)中的波速v存在一定差異，有的差異甚至達到10%，對襯砌厚度的計算造成較大影響。

為提高采用波速的精度，應(yīng)多選取幾個鉆孔位置，測算出波速并取平均值。若在一條隧道中測取3～5個波速值，誤差可以降到5%以內(nèi)。還可以采用微電測深法定點測波速(精度高達±2 cm)，其測量方法簡單，不必打孔，可實現(xiàn)多次測量襯砌厚度的目的［8］。經(jīng)驗表明，采用平均波速法，地質(zhì)雷達探測隧道襯砌厚度的絕對誤差可控制在5 cm。

2．4 隧道襯砌質(zhì)量檢測里程定位問題

用地質(zhì)雷達進行隧道襯砌質(zhì)量連續(xù)檢測時，可選用距離觸發(fā)方式或時間觸發(fā)方式。距離觸發(fā)方式是在雷達天線上安裝測距輪，檢測時讓測距輪和隧道襯砌表面密貼，隨著雷達天線的向前移動，測距輪隨之旋轉(zhuǎn)，測距輪中的感應(yīng)器可根據(jù)測距輪尺寸和測距輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)給出天線移動的距離。采用距離觸發(fā)方式，在雷達記錄數(shù)據(jù)中可直接顯示里程信息，不需要額外的內(nèi)業(yè)處理，但現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)往往耗時較長，且對現(xiàn)場操作人員要求較高。因隧道襯砌凹凸不平，尤其是進行隧道初期支護質(zhì)量檢測時，測距輪和襯砌結(jié)構(gòu)表面密貼不好，常出現(xiàn)測距輪漏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，致使系統(tǒng)給出的記錄長度和實際檢測長度不符，有的甚至差別較大。時間觸發(fā)方式則是在雷達天線移動過程中人工打標(biāo)記(通常每5 m或10 m打一個標(biāo)記)，此方法和距離觸發(fā)方式相比外業(yè)耗時較少，但后期數(shù)據(jù)處理時需通過刪減和距離歸一化等操作確定里程位置;且該觸發(fā)方式要求雷達天線在檢測過程中勻速移動，這一點在現(xiàn)場檢測過程中往往很難保證，致使標(biāo)記之間的具體里程位置出現(xiàn)誤差。

在隧道襯砌質(zhì)量檢測中應(yīng)用較多的是時間觸發(fā)方式。為提高檢測精度，現(xiàn)場采集時，要求盡可能控制好雷達天線的移動速度，保持勻速運行，以減小里程內(nèi)插誤差;同時，現(xiàn)場應(yīng)做好詳盡的記錄，以利于數(shù)據(jù)分析時更精確的定位里程。經(jīng)驗表明，采用時間觸發(fā)方式，現(xiàn)場檢測里程定位絕對值誤差通常可以控制在0．5 m以內(nèi)。

3 結(jié)論與討論

1)地質(zhì)雷達參數(shù)選擇、現(xiàn)場增益的效果和作業(yè)環(huán)境等對探測結(jié)果的準(zhǔn)確性起著重要作用。為提高準(zhǔn)確性，增益設(shè)置應(yīng)盡量在邊墻噴射混凝土密實度較好的地段進行，并遠離隧道內(nèi)干擾物。

2)增強隧道襯砌病害的識別能力是一個積累的過程，檢測者必須熟悉隧道的設(shè)計和施工技術(shù)，有針對性地尋找雷達圖中的病害信號，不斷地積累現(xiàn)場檢測和室內(nèi)分析經(jīng)驗。

3)在隧道襯砌厚度檢測中，為提高采用波速的精度，可采用平均波速法，同時，還可輔以微電測深法。實踐經(jīng)驗表明，該方法對控制測量誤差很有效果。

4)建議隧道襯砌質(zhì)量檢測時采用時間觸發(fā)方式，應(yīng)盡可能保證雷達天線勻速移動，并做好詳盡的現(xiàn)場記錄。

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