公路隧道襯砌結構雷達檢測結果解譯方法探討

趙文軻 秦 峰 王連成

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

公路隧道襯砌結構雷達檢測結果解譯方法探討

趙文軻 秦 峰 王連成

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

介紹了地質雷達檢測襯砌的原理與檢測數據的處理流程，從二次襯砌結構厚度、鋼筋分布、密實情況三方面，探討了公路隧道襯砌結構雷達檢測結果的解譯方法，有效提高了地質雷達檢測結果的直觀性和準確性。

隧道襯砌，地質雷達，解譯方法，鋼筋

0 引言

隨著我國公路事業的快速發展，公路隧道襯砌病害問題也隨之而來。地質雷達無損檢測也被廣泛的應用到隧道建設運營過程中去，如隧道運營中二次襯砌空洞造成的滲漏水、襯砌密實情況和鋼筋分布情況的檢測驗收等等，并且隨著地質雷達無損檢測方法的日趨成熟，該項方法也已經被列入規范中去。但是地質雷達作為一種方法，檢測結果提供的是一種數據，提供的是雷達圖像，數據經過處理后很多病害問題需要有經驗并且了解隧道襯砌結構的人員進行解釋、解譯。怎樣盡量將大量的檢測數據和圖像呈現出來，指導隧道襯砌病害的處置及設計是非常重要的。本文將探討公路隧道襯砌結構病害的地質雷達檢測結果的解譯方法。

1 地質雷達檢測襯砌原理及應用情況

地質雷達法通常是一種甚高頻至微波段電磁波反射探測法，它利用發射器通過發射天線向隧道襯砌與中定向發射電磁波，工作時天線密貼在襯砌表面，儀器與工作人員均在高空作業車上或汽車內，共同隨汽車的勻速行駛向前移動。傳播的電磁波當遇到有電性差異的界面時即發生反射，通過反射情況計算深度，再根據反射波的形狀、線度及其在橫向和縱向上的組合特征和變化情況，結合檢測對象的結構特征，判斷目標性質即進行目標識別，進行地質解釋，如襯砌厚度、空洞和鋼筋分布等(見圖1)。

根據雷達電磁波傳播原理，可導出地質雷達方程為：

(1)

其中，Pr為接收機接收到的功率，W；Pt為發射機發射功率，W；R為天線到目標的距離，m；Ar為天線有效面積，m2；G為天線增益，dB；Q為目標截面面積，m2；λ為空氣中的雷達波波長，m；f為雷達中心工作頻率，Hz；c為真空中的雷達波速度(光速)，3×108m/s。

(2)

其中，ω，σ，ε，εr，μ，υ分別為角頻率、電導率、介電常數、相對介電常數、磁導率、介質的雷達波傳播速度。再通過速度和傳播時間計算深度。

對于病害公路隧道，采用地質雷達檢測，可充分利用地質雷達的特點，通過電磁波在介質中的傳播特性，了解襯砌內部的結構組成，找出結構缺陷及病害位置。一般選取中心頻率為400 MHz～900 MHz的雷達天線，可檢測隧道二次襯砌、初期支護及背后圍巖內部結構及密實情況等。

隧道襯砌現場檢測時，由于隧道結構的特殊性，一般布置3條～9條縱向測線(特殊情況下布置環形測線)，檢測時，利用檢測車或門式腳手架以3 km/h～5 km/h的車速進行檢測。雷達現場檢測方式與測線布置示意圖見圖2，圖3。

2 地質雷達檢測數據處理流程

地質雷達檢測數據，通常的處理步驟有：截取直達波(地面調整)、濾波、增益調整、編輯剪切、距離歸一化、里程調整、反褶積、偏移歸位、希爾伯特變換、傅里葉變換等，如圖4所示。地質雷達檢測結果的解釋，最終都以數據或者圖形的形式呈現。

3 檢測結果解譯方法探討

公路隧道襯砌常見的結構病害有：二次襯砌厚度不足，二次襯砌不密實，二次襯砌鋼筋缺失、初期支護鋼架缺失等等。針對這些常見病害，該如何解譯，將檢測結果有效并且直觀呈現出來，是下面討論的主要內容。主要從二次襯砌厚度、鋼筋分布和密實情況來討論。

3.1 二次襯砌結構厚度

通常情況下二次襯砌厚度檢測結果都是以數字結果呈現，相關規范也要求了按一定間距進行檢測并提供厚度值，但對于公路病害隧道，襯砌結構在處置前的地質雷達檢測需要提供大量更詳盡的數據，且要將這些數據更直觀的呈現在報告中。為此，通過大量的實踐，我們通常將二次襯砌厚度結果呈現為除數據之外的另外兩種形式：二次襯砌厚度曲線圖和二次襯砌厚度等值線圖。

3.1.1 二次襯砌厚度曲線圖

將地質雷達判讀的二次襯砌厚度和設計厚度同時繪制在圖表中，如圖5所示。這種圖表能直接準確的將雷達測線范圍內檢測到的襯砌厚度值和設計厚度值對比，直觀判斷襯砌欠厚的段落、范圍和程度，給病害處置設計和施工提供更直觀的結果。襯砌厚度曲線圖理論上需要更詳盡的檢測厚度數據，根據測線里程，數據間隔越小，曲線越平滑，但這又受限于雷達的掃描速率和數據的處理工作量，通常我們建議按0.05 m～0.5 m的里程間距厚度值進行繪制厚度曲線圖，盡量不要超過0.5 m，避免檢測厚度曲線圖出現鋸齒狀和失真。

3.1.2 二次襯砌厚度等值線圖

二次襯砌厚度等值線圖則是更進一步將雷達檢測的多條縱向測線的二次襯砌厚度值綜合起來繪制成一副平面的等值線圖(見圖6)，類似于地面高程的等值線，其中采用了一些插值計算的方法，如克里格插值計算等。二次襯砌厚度等值線圖更加直觀的將整個隧道襯砌厚度缺陷情況呈現出來，采用不同的等值間隔和色彩繪制，讓處置設計和施工者從宏觀上了解隧道襯砌的欠厚段落和欠厚位置，利用顏色區分襯砌的欠厚嚴重程度等。繪制厚度等值線圖是一種根據有限的數據插值運算得到的結果，為了保證圖像結果的準確度，就要盡可能的加密測線，一般情況我們建議測線數大于7條，單條測線按不大于0.5 m提供判讀厚度，這樣才能保證厚度等值線圖有參考價值。

3.2 二次襯砌鋼筋分布

目前的地質雷達檢測技術已經能有效的檢測二次襯砌鋼筋的分布情況，鋼筋的數量和內部位置等。采用成熟的解譯軟件，通過數據處理解釋可直接將二次襯砌鋼筋的分布情況標注在雷達解釋圖譜上。病害檢測報告根據數據解譯情況提供二次襯砌鋼筋數量、分布、位置情況及雷達解釋圖譜(見圖7)。

3.3 二次襯砌密實情況

襯砌脫空是公路隧道最常見的病害，也是最容易引起襯砌質量問題的病害。地質雷達檢測能有效的判定隧道襯砌結構中不密實脫空的分布情況，但是由于雷達檢測方法的局限性，往往只能提供縱向測線范圍內脫空的長度分布，不能提供脫空范圍的環向分布范圍，所以針對一些特殊情況，應增加環向地質雷達測線，充分判定空洞的分布范圍。另外隧道襯砌結構復雜情況下，檢測人員在判讀解釋時，應充分了解襯砌結構的設計情況和施工資料，避免將結構預埋件等判讀為不密實情況(見圖8)。

4 結語

本文針對公路隧道襯砌結構病害的地質雷達檢測結果解譯方法進行了探討，提出了雷達數據結果解譯時的一些方法，這些方法能有效的提高地質雷達檢測結果的直觀性和準確性。1)采用二次襯砌厚度曲線圖和二次襯砌厚度等值線圖的雷達結果解釋方法，能使檢測結果更直觀的展示給使用者，減少錯誤解讀和使用效率；2)二次襯砌鋼筋檢測結果，對位置、間距和數量的直觀圖譜呈現，能更準確的提供給結構分析和受力計算者詳盡的參數依據；3)二次襯砌密實情況的判讀解釋應盡量建立在更詳盡的檢測數據和對襯砌結構充分了解的基礎上。

[1] 粟 毅，黃春琳.探地雷達與應用[M].北京：科學出版社，2006.

[2] 金一慶.數值方法[M].北京：機器工業出版社，2002.

[3] JTG F60—2009，公路隧道施工技術規范[S].

[4] 重慶市交通委員會工程質量安全監督局.重慶公路隧道地質雷達檢測技術指南[Z].2015.

Discussion on interpreting method of detection results of lining structure radar in highway tunnel

Zhao Wenke Qin Feng Wang Liancheng

(ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.，Ltd，Chongqing400067，China)

This paper introduced the geological radar detection lining principle and the treatment process of detection data, from the secondary lining structure thickness, reinforcement distribution, density situation three aspects, discussed the interpretation method of highway tunnel lining structure radar detection results, effectively improved the intuitiveness and accuracy of geological radar detection results.

tunnel lining, geological radar, interpretation method, reinforcement

1009-6825(2017)05-0192-03

2016-12-05

趙文軻(1984- )，男，碩士，工程師

U455.91

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