地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

楊聚會

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司工程測量試驗(yàn)分公司）

1 概述

近年來，地質(zhì)雷達(dá)因其輕便性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、高效、無損等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于鐵路、公路、市政、水利等行業(yè)中，作為一種無損檢測的技術(shù)手段，在工程質(zhì)量控制中發(fā)揮了極其重要的作用。地質(zhì)雷達(dá)法既可以用來評價既有隧道的安全質(zhì)量狀況，也可以對在建隧道施工質(zhì)量過程進(jìn)行管控，應(yīng)用范圍較廣，對隧道襯砌質(zhì)量控制起到了非常積極而有效的作用。

本文從地質(zhì)雷達(dá)的基本原理入手，結(jié)合工程實(shí)踐，對隧道襯砌檢測過程中的質(zhì)量缺陷及雷達(dá)圖像特征進(jìn)行了總結(jié)和分析，為今后隧道襯砌質(zhì)量檢測工作提供理論依據(jù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測是一種快速、連續(xù)、非接觸電磁波探測技術(shù)，它具有采集速度快、分辨率高的特點(diǎn)。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)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(zhì)的分布情況。

地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線(T)組成。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)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(dá)波，反射波和直達(dá)波同時被接收機(jī)記錄并經(jīng)圖像處理，達(dá)到探測前方目標(biāo)體的目的。

圖1 計算示意圖

式中x 值為收發(fā)距，在探測中是固定的，介質(zhì)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(biāo)體的深度Z 值。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線在物體表面逐點(diǎn)同步移動時，就能得到其內(nèi)部介質(zhì)剖面圖，見圖2。

3 隧道襯砌質(zhì)量檢測典型圖譜特征

3.1 襯砌厚度

由地質(zhì)雷達(dá)檢測原理可知，兩種介質(zhì)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(zhì)量越好，混凝土與圍巖接觸越密實(shí)，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(dá)剖面圖上，一般都可以找到一組連續(xù)性較好、能量相對較強(qiáng)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(xiàn)或大或小的超挖和欠挖現(xiàn)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(zhǔn)確讀取雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)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(dá)波速。結(jié)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(shè)計要求的。

圖3 襯砌界面剖面圖

但對于二襯布設(shè)了鋼筋的混凝土，由于電磁波趨膚效應(yīng)等的影響，電磁波經(jīng)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(jìn)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(shè)計的要求。

3.2 鋼筋與鋼拱架

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

但實(shí)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(dá)分辨率的影響將產(chǎn)生連續(xù)點(diǎn)狀的強(qiáng)反射。鋼拱架通常表現(xiàn)在圖像上是分散的、開口向下的弧形強(qiáng)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(qiáng)烈。

3.3 空洞與不密實(shí)

圖4 鋼筋分布示意圖

圖5 鋼拱架分布示意圖

隧道襯砌質(zhì)量最常見的病害缺陷是空洞和不密實(shí)，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(chǎn)生三角形空洞，空洞表現(xiàn)在雷達(dá)圖譜上為多次性、強(qiáng)反射、相位反轉(zhuǎn)、同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發(fā)生相位錯位等特點(diǎn)，是很容易區(qū)分的。

不密實(shí)表現(xiàn)在圖像上為強(qiáng)反射信號同相軸不連續(xù)，較分散。

圖6 襯砌脫空剖面圖

采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測時，雷達(dá)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(jī)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(shù)據(jù)產(chǎn)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(fā)生，無法避免時要及時記錄干擾信號的相關(guān)情況，隨時觀察雷達(dá)圖像，出現(xiàn)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(gòu)造物情況，以備分析數(shù)據(jù)時排除干擾因素，提高結(jié)果判別的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)作為目前主流的隧道襯砌質(zhì)量無損檢測技術(shù)，在隧道襯砌質(zhì)量檢測中已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用，是隧道施工過程質(zhì)量控制和隧道竣工驗(yàn)收的重要手段，也是運(yùn)營隧道安全評價的主要技術(shù)手段，在隧道建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)過程中發(fā)揮著重要作用。掌握地質(zhì)雷達(dá)檢測的基本原理，熟悉隧道襯砌質(zhì)量缺陷的典型圖譜特征，了解質(zhì)量缺陷的形成機(jī)理，對隧道襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果判定非常重要。在實(shí)踐中，從業(yè)者應(yīng)多結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行開孔驗(yàn)證，有效保證地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果的可靠性。