地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用

楊聚會

（中鐵隧道局集團有限公司工程測量試驗分公司）

1 概述

近年來，地質雷達因其輕便性、靈活性、經濟性、可靠性、抗干擾能力強、高效、無損等一系列優點，被廣泛地應用于鐵路、公路、市政、水利等行業中，作為一種無損檢測的技術手段，在工程質量控制中發揮了極其重要的作用。地質雷達法既可以用來評價既有隧道的安全質量狀況，也可以對在建隧道施工質量過程進行管控，應用范圍較廣，對隧道襯砌質量控制起到了非常積極而有效的作用。

本文從地質雷達的基本原理入手，結合工程實踐，對隧道襯砌檢測過程中的質量缺陷及雷達圖像特征進行了總結和分析，為今后隧道襯砌質量檢測工作提供理論依據。

2 地質雷達原理

地質雷達檢測是一種快速、連續、非接觸電磁波探測技術，它具有采集速度快、分辨率高的特點。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。因此，根據接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質的分布情況。

地質雷達由發射部分和接收部分組成。發射部分由產生高頻脈沖波的發射機和向外輻射電磁波的天線(T)組成。通過發射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產生反射。反射波被設置在某一固定位置的接收天線（R）接收，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄并經圖像處理，達到探測前方目標體的目的。

圖1 計算示意圖

式中x 值為收發距，在探測中是固定的，介質一定時，波速v 值也是固定值，通過記錄電磁波的雙程走時t，就能得出目標體的深度Z 值。當發射天線和接收天線在物體表面逐點同步移動時，就能得到其內部介質剖面圖，見圖2。

3 隧道襯砌質量檢測典型圖譜特征

3.1 襯砌厚度

由地質雷達檢測原理可知，兩種介質的電性差異越大，探測效果越明顯。所以對于襯砌混凝土來說，施工質量越好，混凝土與圍巖接觸越密實，反射能量越弱，混凝土與圍巖之間的反射界面越模糊。在雷達剖面圖上，一般都可以找到一組連續性較好、能量相對較強的反射波組，即為襯砌混凝土與噴射混凝土或圍巖的分界面，從而可以確定襯砌的厚度，但往往隧道圍巖開挖總會出現或大或小的超挖和欠挖現象，襯砌與圍巖界面的反射波同向軸就變成了一條有一定起伏的曲線。通過準確讀取雷達圖像上記錄的雙程旅行時間，即可確定襯砌的厚度，即：

圖2 地質雷達探測示意圖

其中：h 為襯砌厚度、Δt為電磁波雙程旅行行時(ns)、v 為襯砌的雷達波速。結合圖譜，通過分析可知，圖3 中部分里程段襯砌厚度是不滿足設計要求的。

圖3 襯砌界面剖面圖

但對于二襯布設了鋼筋的混凝土，由于電磁波趨膚效應等的影響，電磁波經混凝土中雙層鋼筋的衰減后，分辨襯砌厚度有時候就變得比較困難，這時我們可以對圖像進行濾波、反褶積等處理使背后的鋼拱架變得清晰可見，借助鋼拱架的位置可以輔助判定二次襯砌的厚度是否符合設計的要求。

3.2 鋼筋與鋼拱架

《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規范》(TB10223－2004)中規定鋼筋信號反映在雷達圖譜上是連續的小雙曲線形強反射信號，如圖4 所示；鋼拱架信號反映在雷達圖譜上是分散的月牙形強反射信號，如圖5 所示。

但實際檢測中，對于鋼筋混凝土往往是多根鋼筋并排，相鄰鋼筋之間相互干擾，受鋼筋直徑大小、鋼筋間距和雷達分辨率的影響將產生連續點狀的強反射。鋼拱架通常表現在圖像上是分散的、開口向下的弧形強反射信號，每一處弧形代表一個鋼拱架，和鋼筋信號相比較，鋼拱架信號反射更強烈。

3.3 空洞與不密實

圖4 鋼筋分布示意圖

圖5 鋼拱架分布示意圖

隧道襯砌質量最常見的病害缺陷是空洞和不密實，特別是采用模筑泵送混凝土工藝施工的二次襯砌，很容易在拱頂施工接縫處產生三角形空洞，空洞表現在雷達圖譜上為多次性、強反射、相位反轉、同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發生相位錯位等特點，是很容易區分的。

不密實表現在圖像上為強反射信號同相軸不連續，較分散。

圖6 襯砌脫空剖面圖

采用地質雷達進行隧道襯砌質量檢測時，雷達剖面也同時會把隧道外的一些物體記錄下來。如模板臺車、臺架、鋼板、機動車、高壓線等，外部的移動電話、信號接收器等也會對檢測數據產生一定的影響。在檢測過程中，檢測人員要盡量避免干擾的發生，無法避免時要及時記錄干擾信號的相關情況，隨時觀察雷達圖像，出現異常圖像時，及時查找原因，并盡可能提前掌握地下管線及構造物情況，以備分析數據時排除干擾因素，提高結果判別的準確性。

4 結束語

地質雷達無損檢測技術作為目前主流的隧道襯砌質量無損檢測技術，在隧道襯砌質量檢測中已經得到非常廣泛的應用，是隧道施工過程質量控制和隧道竣工驗收的重要手段，也是運營隧道安全評價的主要技術手段，在隧道建設、運營維護過程中發揮著重要作用。掌握地質雷達檢測的基本原理，熟悉隧道襯砌質量缺陷的典型圖譜特征，了解質量缺陷的形成機理，對隧道襯砌質量檢測結果判定非常重要。在實踐中，從業者應多結合現場實際情況進行開孔驗證，有效保證地質雷達隧道襯砌質量檢測結果的可靠性。