地質雷達法在某鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用

張 蕩

中鐵十一局集團第五工程有限公司

1 引言

二十世紀以來，我國鐵路行業的快速發展，隨著鐵路網路越來越發達，鐵路隧道存在的質量風險也越來越高，我們需要及時地發現并處理。在西南地區橋隧比較高，隧道也成為高速鐵路建設中最重要的一環，但目前，由于設計、施工工藝、地質條件等因素，國內在建或已建成的鐵路隧道都存在不同種類的質量缺陷，如襯砌、仰拱的空洞、厚度不足、不密實等。現階段國內隧道無損檢測手段主要采用的是《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》（TB 10233—2004）中提及的兩種方法：地質雷達法、超聲波法。其中超聲波法檢測效率相對較低、準確性不易保障，而地質雷達法探測速度快、分辨率高、穩定性好，準確性高，使地質雷達法成為國內鐵路隧道質量檢測的重要手段。地質雷達法主要是通過發射的電磁微波在探測對象內電性（介電常數、電導率）差異界面產生的反射來判別介質內部存在的缺陷，實踐中不難看出地質雷達對隧道質量缺陷檢測具有高效、準確的特點。

2 地質雷達法檢測原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar,GPR）是用高頻無線電波來確定介質內部物質分布規律的一種地球物理方法，它利用寬帶電磁波以脈沖形式來探測地表之下的或確定不可視的物體或結構[1]。

地質雷達的探測系統包括發射天線和接受天線，以及控制收發和數據儲存的控制系統。

鐵路隧道質量檢測最重要的參數為：被檢介質的電特性和天線的中心頻率。

其中：檢測介質的電特性主要包括電導率（它決定電磁波在介質中的穿透深度）、介電常數（它決定電磁波的傳播速度、目標體的識別及襯砌厚度的判斷）。天線中心頻率的選擇主要從探測深度及垂直分辨率考慮。研究表明：電磁波在地介質中傳播，頻率越高，衰減越大；頻率一定時，濕度越大，介質耗損也越大[2]。探地雷達的中心頻率越高，雷達探測深度越淺，反之亦然；垂直分辨率是雷達在垂直方向內分辨最下異常體的能力，根據雷達系統理論，垂直分辨率為雷達脈沖波長的四分之一。根據上述兩個特性及鐵路隧道襯砌質量檢測的一般要求，我們一般選擇中心頻率為100MHz～900MHz 的屏蔽天線來對鐵路隧道襯砌進行檢測。

3 檢測工作

測線布置：在鐵路隧道襯砌地質雷達檢測中一般布置5條測線，分別為拱頂、左右拱腰、左邊邊墻。

檢測設備：美國勞雷公司生產的SIR-4000型便攜式地質雷達及900 MHz、400MHz、200MHz、100MHz屏蔽天線。

數據分析：采用地質雷達專用分析軟件：RADAN軟件，通過導入數據，距離歸一化，零點去除，數字濾波，里程樁號輸入，介電常數分析，偏移，目標體識別等步驟，綜合分析，判斷出質量缺陷。

4 工程實例

本文主要通過檢測、數據處理、圖譜分析，識別出鐵路隧道襯砌中主要存在的幾大類問題：襯砌空洞，襯砌厚度不足、襯砌不密實等質量缺陷。下文我們將質量缺陷的雷達圖譜及破檢驗證情況列舉如下。

4.1 二襯背后空洞

（1）某A 隧道拱頂082.0～090.0 里程段雷達圖譜顯示該位置襯砌界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，分析判斷為空洞，并在082.6 處鉆孔驗證，鉆孔結果為二襯厚度28cm，空腔24cm（圖1）。

圖1 鋼筋混凝土板縫端二襯楔形空洞圖譜及破檢結果圖

（2）某B 隧道拱頂868.0～865.0 里程段雷達圖譜顯示該位置襯砌界面反射信號較強，呈帶狀長條形分布，三振相明顯，分析判斷為空洞，并在865.2 處鉆孔驗證，鉆孔結果為二襯厚度33.5cm，空腔4cm（圖2）。

圖2 素混凝土二襯背后空洞典型圖譜及破檢結果圖

4.2 二襯厚度不足

某B隧道左拱腰118.4.0～122.4里程段雷達圖譜顯示該位置存在襯砌反射界面，幅值較弱，襯砌與初支密貼較好，但雷達圖譜顯示二襯厚度為32m～45cm，二襯設計厚度為45cm，分析判斷為二襯厚度不足，并在120.4 處鉆孔驗證，鉆孔結果為二襯厚度33cm，無空腔（圖3）。

圖3 鋼筋混凝土二襯厚度不足圖譜及破檢結果圖

4.3 二襯背后不密實

某A隧道左邊墻1005.0～1014.0里程段雷達圖譜顯示該位置襯砌界面反射信號強，同相軸不連續，錯斷，分析判斷為二襯背后不密實，并在1012.0處鉆孔，二襯厚度為27cm，用內窺鏡查看二襯背后有明顯不密實現象（圖4）。

圖4 二襯背后不密實圖譜及破檢結果圖

5 結論

（1）應用地質雷達進行隧道質量檢測，應根據需要檢測目標體的特性，檢測的深度，設計參數，選擇適宜頻率的屏蔽天線，設置適宜的時窗、掃描速度，現場檢測時注意天線與被測物貼合度，已提高檢測質量，避免誤判漏判。

（2）在襯砌厚度判讀前，需對襯砌介電常數進行準確標定，找準雷達圖譜分中襯砌分界面，已提高厚度判讀精度。

（3）應用地質雷達對鐵路隧道進行雷達檢測，通過檢測、數據處理、圖譜識別能較好地識別出襯砌空洞，襯砌厚度不足、襯砌不密實等影響隧道運營安全的質量缺陷。

（4）地質雷達法對鐵路隧道質量檢測是一種高分辨率、高效率、高準確率、穩定性好的無損檢測手段。