基于雷達技術的鐵路工程檢測探討

曹原

摘 要：本文以近年發展起來的地質雷達作為鐵路工程檢測的工具，探討了地質雷達的應用的可行性和方式方法，論文針對鐵路工程檢測中的隧道、擋土墻和路堤等幾個重點檢測點，分別論述了地質雷達用于上述檢測的必要性和可行性，并結合筆者的工作實踐，探討了具體的應用體會，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：地質雷達 鐵路工程 檢測 擋土墻 路堤 隧道

中圖分類號：TN959 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0 簡介

地質雷達（Ground PenetratingRadar，簡稱GPR）是近年發展起來的一種用于淺層地質結構、構造和巖性檢測的新技術。它利用超高頻脈沖電磁波為震源，多以自激自收的形式，可采用連續、間斷兩種方式探測介質分布，具有快速、無損、連續檢測、實時顯示等特點。在新建鐵路施工過程中，雷達檢測技術的應用越來越廣泛，主要檢測內容如圖1所示。

圖1新建鐵路雷達檢測主要內容

1 方法原理

用于工程檢測的地質雷達脈沖波一般使用中心頻率為幾十、幾百到幾千兆赫的寬頻帶高頻短脈沖電磁波。電磁波反射脈沖信號的強度與界面的反射系數和穿透介質對電磁波的吸收能力有關，當介質為非磁性介質時，反射系數為

下標1、2表示介質1、介質2。上式表明，電磁波的反射系數取決于界面兩邊介質相對介電常數的差異；差異越大，反射系數越大。當電磁波通過發射天線向物體表面發射電磁波時，由于不同介質具有不同的物理特性（如：介電性、導電性、電磁性等），對電磁波具有不同的波阻抗，進入墻體的電磁波在穿過墻體時，其傳播路徑、電磁場強度以及波形特征將隨所通過介質的電性和幾何形態而變化。因此，從接收到的雷達反射波走時、幅度及波形資料可以推斷墻體的幾何形態及其結構。

2 隧道檢測

2.1 雷達技術隧道檢測應用必要性

隧道施工過程中，超挖、欠挖、滲水、防水板脫落等問題一直存在，是隧道常見的質量問題。因振搗不夠、漏漿或石子架空等造成的蜂窩狀或因缺少水泥而形成的松散狀以及遭受意外損傷而產生的疏松狀混凝土區域，稱作不密實。由于超挖、襯砌混凝土厚度不足等原因，造成襯砌混凝土和圍巖以及混凝土初襯、二襯之間存在較大空隙；襯砌混凝土厚度達不到設計要求，為厚度不足（欠厚）。

Ⅴ級圍巖、局部Ⅵ級圍巖或大的塌方及溶洞段，需要采用鋼筋網或鋼拱架做為初期支護，加強襯砌的承載能力；鋼拱架數量的缺失導致襯砌強度降低，鋼筋網不均勻導致鋼筋保護層太厚或太薄。

2.2 雷達技術隧道檢測應用可行性

襯砌質量合格的雷達圖像，雷達反映界面清晰，表現為一條亮線。

（1）在雷達圖像上的“空洞”缺陷反映特點空洞缺陷發生在二襯和初期支護之間（防水板的位置）或噴射混凝土背后。由于混凝土和空氣（水）的介電常數差異較大，空洞處會出現強烈的反射波組，表現有孤立的和連續的空洞。特別在拼裝模板臺車的擋頭處容易出現空洞。

（2）在雷達圖像上的“不密實”缺陷反映特點不密實缺陷發生在襯砌和圍巖之間和二襯，由于回填片石灌注砂漿不飽滿和混凝土灌注過程中振搗不夠、漏漿或石子架空等造成蜂窩狀細小空隙，空隙之間不連續。圖像特征和空洞相似，在相同增益條件下，反射波的強度不如空洞，并且反射波相位紊亂。

（3）在雷達圖像上的“欠厚”缺陷反映特點欠厚缺陷是由于隧道開挖過程中部分欠挖，在混凝土襯砌完成后導致襯砌厚度達不到設計要求。在雷達圖像中二襯的界面清楚可見，但界面厚度變化較大，局部厚度不足。一般情況下，欠厚和空洞缺陷同時存在，二襯與初期支護有空洞導致厚度不足。

3 擋土墻檢測

3. 1 雷達技術擋土墻檢測應用必要性

擋土墻檢測主要是針對重力式和衡重式類型擋土墻工程。擋土墻是由片石和砂漿砌筑，依靠墻體自重或填土重量抵抗土壓力，防止土體坍塌的支擋結構。墻體的施工質量和現有狀況成為影響鐵路安全運營的重大隱患問題。

漿砌片石擋土墻在砌筑和使用過程中，由于施工控制不嚴格或地質條件復雜，容易產生以下質量隱患。（1）空洞和不密實：砌體沙漿不飽滿，墻體砌筑片石之間架空，砌體疏松。（2）欠厚：局部砌體厚度達不到設計要求。（3）砌體局部片石尺寸偏小：影響整體結構的強度。（4）墻體背后沒有設置反濾層或反濾層設置達不到設計標準；或泄水管堵塞、數量不足，排水不暢，導致擋土墻背后積水，造成墻體受壓，發展成墻體出現變形、裂縫甚至坍塌。

3. 2 雷達技術擋土墻檢測應用可行性

擋土墻質量合格的雷達圖像，雷達反映界面與隧道有所區別，不是表現為一條明顯亮線，而是一條可追蹤、無明顯連續的界面。

（1）在雷達圖像上的“空洞、不密實”缺陷反映特點擋土墻的缺陷“空洞、不密實”在雷達圖像上的反映與隧道類似，是由于片石空隙過大，砂漿填筑不飽滿或強度不夠。（2）在雷達圖像上的“反濾層填筑”缺陷反映特點擋土墻背后地層為土質地層時，界面兩側介質的相對介電常數差異較大，反射能量較強，雷達反射波頻率相對較高，振幅相對較大，雷達圖像同相軸連續性好。

4路堤檢測

4. 1 雷達技術路堤檢測應用必要性

路堤是在原地面上，用土、石填筑的路基。路堤是分層填筑、分層碾壓，要求填料級配較好，碾壓均勻，并要求壓實系數或地基系數不應小于設計的Kh或K30值。每層填筑的厚度為0.5～0.8 m。但由于施工過程中路堤往往由于填料軟弱、不均或施工質量差，導致承載力不足、壓實度達不到要求等，而使路堤產生局部沉陷、滑坍外擠等。特別在橋臺背后及涵洞缺口由于填料不密實，極易產生坑槽、橋頭跳車等病害。因此，在基床表層鋪設前，對路堤特別是橋臺背后及涵洞缺口的填實情況進行雷達檢測是非常必要的。雷達檢測作為路堤評價的一種手段，可定性的對路堤填料密實情況、空洞、地表處理及隱患進行檢測試驗。

4. 2 雷達技術路堤檢測應用可行性

（1）分層填筑碾壓情況調查：通過對各對雷達剖面圖追蹤、對比可看出各填筑層的情況。各層同相軸呈水平連續，路堤中無雜亂的反射信號時為壓實均勻，反之則整體性差。

（2）隱患調查：填料級配較差，石塊較大，路堤難以壓實，導致路堤填料疏松，小空隙分布或含水量不均，雷達圖像上可見到較多、較強的反射信號。

因此，利用雷達圖像可以判斷路堤的整體工程質量，對填料的均勻性、密實情況、空洞、地表處理及隱患能給予分析判斷。

5 雷達檢測工程實際應用體會

（1）在檢測之前對工程項目的設計、施工資料必須進行細致的了解。（2）檢測過程中保證每一條測線采集數據的有效性，對于現場發現問題的段落或測線進行重復性測量。（3）數據處理過程中遵循缺陷的特征規律，著重對缺陷的識別和分類，對缺陷的規模、嚴重程度進行判別。（4）后期對檢測出的缺陷進行開挖、鉆孔驗證，并結合驗證結果對資料復解，積累檢測的經驗。

參考文獻

[1] 張峰，陳曦.探地雷達在鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用[J].鐵道勘察，2006，32（1）.

[2] 李英杰，孫建發，李迎春.膠濟鐵路電氣化工程地基與基礎的質量檢驗[J].鐵道勘察，2006，31（1）.