地質雷達在某公路隧道襯砌檢測中的應用

劉 安 趙 莉 劉蓮娟

(1.江西交通咨詢有限公司，江西 南昌 330008； 2.宜春市公路管理局，江西 宜春 336000； 3.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330103)

1 概述

公路隧道主體結構多為隱蔽工程，如何及時準確地發(fā)現(xiàn)隧道的襯砌質量缺陷成為了困擾建設單位的一大難題。在實際施工過程中，隧道中經常會出現(xiàn)襯砌與圍巖不密實與脫空、襯砌厚度不足以及襯砌內出現(xiàn)裂縫、空洞和回填疏松地段積水、襯砌滲水、鋼筋的分布與設計出現(xiàn)偏差等問題。由于這些問題的存在，必須對隧道襯砌質量進行檢測，如果不及時發(fā)現(xiàn)并處理這些問題必將給隧道的運營帶來極大的隱患[1]。地質雷達憑借高效、高分辨率、高精度的特點，在隧道的襯砌質量檢測中得到了廣泛的應用[2]。本文以江西某公路隧道為工程實例，對隧道的二次襯砌質量進行了無損檢測。檢測結果表明，在公路隧道質量檢測方面地質雷達的檢測效果是理想的，達到了指導施工的目的。

2 地質雷達工作原理

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)作為一種精密的地球物理探測儀器，其工作原理是利用頻率介于106 Hz～109 Hz的無線電波來確定地下介質的分布情況。由于地質雷達在工地復雜環(huán)境下探測的優(yōu)越性，地質雷達技術在建筑結構調查、工程地質勘察、地下管線探測、公路工程質量檢測等眾多領域得到了廣泛的發(fā)展和應用。

高頻短脈沖電磁波通過發(fā)射天線定向地發(fā)射到地下。在傳播過程中，如果電磁波遇到了存在電性差異的地層或目標體，那么它就會在目標體界面上發(fā)生反射和透射，然后接收天線會收到反射波的信號并將其數(shù)字化，最后再由電腦終端以反射波波形的方式記錄下來。在對其進行相應的數(shù)據(jù)處理后，通過反射波的幅度和波形、傳播時間等，可以判斷出地下目標體的結構、空間位置和分布。地質雷達判斷地下目標體的方法是基于對反射波形的特性分析得出來的，因此電磁波的衰減程度、地下目標體與周圍介質的電性差異、目標體的埋深以及外部干擾的強弱[3]等是影響地質雷達探測效果的主要因素。如果目標體與介質間的電性差異比較大，它們的界面就比較清晰，在雷達剖面圖上就是同相軸不連續(xù)的情況。因此地質雷達探測的基本條件是目標體與周圍介質之間的電性差異。

3 地質雷達信號處理

由于地質雷達天線會接收所有能采集到的信號，所以最終采集到的反射波不僅包含有效波也夾雜著很多雜波。這些雜波會使記錄結果不能清晰的反映目標體；另外，在傳播過程中電磁波會產生衰減，所以必須對數(shù)據(jù)進行相應處理[4]。本文使用REFLEXW7.0雷達數(shù)據(jù)處理軟件，進行數(shù)據(jù)處理。處理過程包括預處理，步驟如下：1)修改文件頭參數(shù)；2)標記和樁號校正；3)剖面翻轉和道標準化；4)進行標題、標識等的添加以及數(shù)據(jù)處理分析(包括a.對整個剖面進行瀏覽，找出明顯的異常；b.頻譜分析；c.濾波去噪；d.振幅增強；e.異常特征和面層對應相位分析；f.繪制剖面等)。在數(shù)據(jù)處理后，勘探剖面中不同的顏色對應不同的幅度強度，橫軸是測線樁號(單位為m)，縱軸代表厚度(單位為m)。

4 工程應用

4.1 工程概況

本論文所研究的隧道是江西省境內某隧道，其左線長1 337 m，右線長1 364 m，人行橫洞共計兩處，車行橫洞共計一處。此隧道平面設計為左線、右線分離的雙向四車道隧道，進洞洞門是1∶1削竹式洞門。隧道場址區(qū)域為低山丘陵地貌，地勢起伏較大，進洞口自然山坡坡度大約為20°～25°，自然山坡比較穩(wěn)定，洞身的最高點海拔大約為500 m，溝壑較發(fā)育，但寬度較小，切割縱深較大，大多溝壑是V型；沿線地表植被較發(fā)育，都是林區(qū)。隧道區(qū)域的表層分布土體以坡積粉質粘土為主，屬于中軟土，中等強度、中等壓縮，工程地質性能一般。隧道的進口段圍巖主要為全風化、強風化的砂巖；洞身段圍巖主要為中風化砂巖。

4.2 參數(shù)設置及測線布置

4.2.1檢測儀器及工作參數(shù)

檢測儀器采用Sir3000為地質雷達。在檢測的過程中，發(fā)射、接收一體化天線與探測目標地面的表面緊密貼合，沿著測線勻速進行滑動，地質雷達的主機發(fā)射高速雷達脈沖，進行快速連續(xù)采集工作。工作參數(shù)如下[5-7]：

1)檢測速度5 km/h；2)每道(每個地面采樣點)包括512個時間采樣點；3)掃描速度(掃描/s)為120；4)天線的采樣時窗(記錄長度)30 ns；5)采用連續(xù)測量方式，使用高精度測量輪記錄測量點位置，并按照測線樁號打標記和記錄。

4.2.2測線布置

本次隧道的二次襯砌檢測工作，在該隧道的左、右拱腰以及拱頂部位一共布置三條縱向雷達測線，測線的布置情況具體見圖1。

4.3 典型地質雷達檢測結果

4.3.1二次襯砌厚度檢測

圖2的地質雷達波形圖是采用REFLEXW7.0軟件處理后所得到的結果。由于圍巖與二次襯砌混凝土之間的介電常數(shù)差別較大，所以電磁波在圍巖與混凝土界面?zhèn)鞑r會產生較強的反射信號，圖2中繪制出來的曲線寬度即為本次雷達掃描二次襯砌厚度的檢測結果。表1列出了二次襯砌混凝土厚度檢測結果。

表1 隧道左線二次襯砌混凝土厚度檢測結果表

4.3.2二次襯砌鋼筋數(shù)量檢測

圖3是采用REFLEXW7.0軟件處理的地質雷達波形圖。由于鋼筋與二次襯砌混凝土之間的介電常數(shù)差別較大，所以電磁波會在二者交界面產生較強的反射信號，圖3中每個曲線尖端即為鋼筋的具體位置。表2列出典型洞段鋼筋數(shù)量檢測結果。

表2 隧道左線二襯鋼筋間距檢測結果表

5 結語

通過對江西某公路隧道進行的地質雷達二次襯砌質量檢測，得到如下結論：

1)地質雷達利用的是介于106Hz～109Hz頻率的無線電波，能夠通過接收無線電波來確定地下介質的分布情況，是一種地球物理方法。地質雷達技術能夠有效的應用于公路隧道的二襯質量檢測，能有效檢測出鋼筋數(shù)量異常以及二襯厚度異常的位置，具有簡便、快捷和準確性高的優(yōu)點。

2)隧道現(xiàn)場檢測結果表明，隧道左、右拱腰以及拱頂和二襯混凝土厚度基本滿足設計要求。二襯表層環(huán)向鋼筋數(shù)量及間距在設計允許范圍之內，滿足設計及有關規(guī)范的要求。