地質雷達在隧道襯砌檢測中的應用

陳瑾

1.前言

公路山區隧道的圍巖和初期支護作為隧道的主要受力結構，二次混凝土襯砌則主要是起安全儲備作用，因此初期支護背后有無脫空或背后空洞的位置形態以及二次襯砌混凝土的實際厚度對于隧道的安全和質量起著至關重要的作用。因此必須在施工過程中應及時對隧道施工質量進行檢測，以清除質量隱患。地質雷達方法具有快速、連續、高效等優點，被廣泛應用于各類隧道襯砌質量檢測中。

2.地質雷達數據處理與分析

探測的雷達檢測數據以脈沖反射波的波形形式記錄，用波形或灰度顯示探地雷達垂直剖面圖。地質雷達數據分析包括兩部分內容：數據處理和圖像處理。

2.1地質雷達數據處理

地址雷達數據處理步驟一般分以下4個步驟：

（1）消除隨機噪聲、壓制干擾，改善背景：

（2）自動時變增益或控制增益，以補償介質吸收和抑制雜波；

（3）濾波處理除去高頻，突出目標體，降低背景噪聲和余振影響；

（4）通過對檢測波形的時間剖面、波形及振幅的變化規律的對比分析，對隧道初支和二襯噴混凝土厚度、背后是否存在空洞及不密實等情況進行綜合評判。

2.2地質雷達圖像處理

地質雷達圖像處理包括圖像解釋和識別異常，一方面基于探地雷達圖像的判別結果，另一方面由工程實踐成果獲得。只有獲得高質量的探地雷達圖像，正確的判別異常，才能獲得可靠、準確的探測解釋結果，因此識別干擾波及目標體的探地雷達圖像特征是進行探地雷達圖像解釋的核心內容。

探地雷達在接收有效信號的同時，也不可避免地接收到各種干擾信號，產生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認。

主要判定特征：①密實：襯砌信號幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號；②不密實：襯砌界面反射信號強，信號為強反射信號，同相軸不連續，錯斷，一般區域化分布；⑧空洞：襯砌界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，通常為規整或不規整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大；④脫空：襯砌界面反射信號強，呈帶狀長條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號；⑤鋼筋網：有規律的連續的小月牙形強反射信號，月牙波幅較窄；⑥鋼拱架：單個的月牙形強反射信號，月牙波幅較寬；⑦鋼格柵：連續的兩個雙曲線強反射信號。

2.2.1初期支護結構

雷達波經發射天線發射后，最先到達接收天線的雷達波為空氣直達波，緊接著為表面直達波，再為噴混凝土和圍巖膠結面的反射波。反射波能量與圍巖和噴混凝土之間的物性差異有關，兩者物性差異越大，反射波能量就越強，反之，其能量就越弱。在地質雷達圖像中振幅較強、同相軸比較連續的波就是噴混凝土和圍巖界面的反射信號，該界面上到表面就是噴混凝土厚度。當混凝土中存在鋼筋時，將產生連續點狀強反射信號；當混凝土中有鋼拱時，將出現特別強的月牙形反射信號，每一信號表示有一鋼拱。當噴混凝土背后回填不密實，混凝土與圍巖之間有空隙時，由于空氣與混凝土介電常數差別較大，電磁波在噴混凝土與空氣之間將產生強反射信號，如圖2所示。當空洞比較大時，圍巖界面清晰可見，在地質雷達剖面圖上主要表現為在噴混凝土層以下出現多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發生相位錯位，且其能量明顯增強，如圖2所示。

2.2.2二次襯砌結構

二襯檢測中重要的是判別初襯與二襯之間的界面反射波，由于反射波能量與二次襯砌和噴射混凝土的物理性質差異有關，兩者物理性質差異越大，反射波能量越強，否則其能量越弱，邊界不明顯，如圖3所示。

3.地質雷達對隧道襯砌質量的檢測技術重點

3.1檢測設備以及檢測方法

檢測設備：在檢測的時候運用產自于瑞典的MRMAC地質雷達，接收天線運用單置式天線。

檢測方法：通常在隧道的拱頂、兩側的拱腰以及底墻處各布置一條測線，觀察的過程中如果發現存在信號異常，要對該處的測線進行加密檢測。測線布置完成之后，在墻壁上每隔10m，用顏色鮮艷的標志做一個標記，然后使天線貼緊隧道的內側墻壁，沿測線的方向進行測量，并對該過程中的數據進行及時準確的記錄。

3.2判斷依據

1）隧道襯砌質量的檢測，其判斷依據有以下幾點：其一，當襯砌密實程度較好時，雷達的反射信號強度較弱，甚至會出現沒有接收到反射信號的現象；其二，當襯砌密實程度較差時，雷達的反射信號強度較強，且出現不連續的弧形形狀；其三，當襯砌存在空洞現象時，襯砌界面的雷達信號強度較強，在下部依然存在強度較強的反射信號，但是兩組信號的接收時間差較大。

2）對鋼筋存在位置的判斷：其一，當雷達信號呈現分布較為分散的月牙形，且反射信號強度較強時，則說明此處存在鋼架結構；其二，當雷達信號呈現分布較為連續的雙曲線的形狀，而且其反射信號強度較強時，則說明此處存在鋼筋。

3.3地質雷達檢測圖像的分類

1）當隧道襯砌與圍巖的緊密性相對較好，不存在空隙時，界面圖像的清晰程度直接受到混凝土與圍巖的緊密性以及混凝土介電常數的影響，其雷達反射信號相對較弱，但是可以通過相關軟件對隧道襯砌的厚度進行計算。

2）當隧道襯砌與圍巖的緊密性較差時，電磁波在襯砌混凝土與空氣之間的界面上出現強度較大的反射信號，且其界面很容易被認識，隧道襯砌與圍巖之間的空隙可以被計算出來。

3）當雷達的圖像中不存在差異較大的信號，且其圖像較為均勻，這就說明隧道襯砌混凝土的密實程度較好。

4）當雷達的圖像中呈現連續性，而且圖像縱向尺寸相對較大。

4.結論與建議

（1）地質雷達檢測隧道襯砌厚度、背后脫空、空洞的位置是能夠實現的，并且檢測速度快、效率高，適合于現場的大面積連續快速檢測。

（2）隧道工程中，地面和襯砌表面往往起伏不平，導致在檢測過程中，雷達天線的跳動，產生較大的干擾信號。檢測長大隧道時，里程較長而累計的里程誤差往往使檢測結果失真。因此在開展檢測工作時，需特別注意，以減小人為誤差，提高檢測精度。