地質(zhì)雷達(dá)在運(yùn)營(yíng)隧道無損檢測(cè)中的應(yīng)用研究

王 文 閆圓圓

（北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100067）

隧道的健康狀態(tài)影響著鐵路的運(yùn)營(yíng)安全和壽命，為確保隧道的運(yùn)營(yíng)安全，設(shè)備管理單位必須要對(duì)運(yùn)營(yíng)期隧道的狀態(tài)有十分清楚的了解和掌握。

針對(duì)隧道的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外眾多相關(guān)工作者做了大量的科學(xué)研究和現(xiàn)場(chǎng)工作；杜勝[1]等通過大量工程實(shí)踐，研究不同天線頻率的地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道仰拱密實(shí)性檢測(cè)中的應(yīng)用效果；楊志武[2]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道典型病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)并取得良好應(yīng)用效果，表明地質(zhì)雷達(dá)是無損檢測(cè)隧道脫空、不密實(shí)等典型病害的有效手段；肖秀明[3]等通過地質(zhì)雷達(dá)在隧道和地鐵線中的檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例，闡述了地質(zhì)雷達(dá)無損、高效和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)；馬為功[4]等結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步細(xì)化隧道襯砌缺陷的類型，為更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)缺陷處理措施提供可靠參考依據(jù)；楊小波[5]系統(tǒng)論述了地質(zhì)雷達(dá)在隧道無損檢測(cè)中的應(yīng)用；程文濤[6]等詳細(xì)對(duì)比分析了襯砌脫空、襯砌欠厚、仰拱回填異常等典型隧道缺陷整治前后的雷達(dá)波形，便于后期施工及竣工驗(yàn)收；薛鵬[7]結(jié)合某工程實(shí)例，探討地質(zhì)雷達(dá)及超聲回彈綜合法在隧道工程中的具體應(yīng)用；王石磊[8]等分析了國(guó)內(nèi)外隧道檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了未來隧道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向，有助于更好建立適應(yīng)于中國(guó)的運(yùn)營(yíng)隧道的檢測(cè)技術(shù)體系。

對(duì)于運(yùn)營(yíng)隧道，常會(huì)出現(xiàn)空洞、襯砌裂縫等質(zhì)量缺陷，而這些缺陷通常很難檢測(cè)到。運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法，可準(zhǔn)確獲得隧道襯砌質(zhì)量的合格率。同時(shí)，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果解譯可對(duì)缺陷等級(jí)進(jìn)行合理的劃分，為后續(xù)工程的施工質(zhì)量提供可靠參考和技術(shù)依據(jù)。為掌握已運(yùn)營(yíng)10 年左右的某鐵路隧道的襯砌狀態(tài)，擬采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)該隧道進(jìn)行無損檢測(cè)，以評(píng)價(jià)其健全度并對(duì)可能存在的問題提出整治措施。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)主要是用于對(duì)地層、地質(zhì)體或地上混凝土構(gòu)筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測(cè)的技術(shù)。已知電磁波信號(hào)在介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)遇到介電常數(shù)相差較大的兩種物質(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、透射和折射現(xiàn)象，根據(jù)這種原理，利用天線向目標(biāo)地質(zhì)體中發(fā)射寬頻帶的高頻電磁波，通過對(duì)接收到的反射信號(hào)能量進(jìn)行分析可知，當(dāng)兩種介質(zhì)的電性差越大時(shí)，反射能量越大。使用專門的設(shè)備對(duì)反射波信號(hào)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行記錄和分析處理，可得到全斷面掃描圖，通過對(duì)該圖件進(jìn)行判讀，便可得出地下目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)信息[9]，探測(cè)示意圖如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)示意圖

根據(jù)以上原理可由以下公式計(jì)算目標(biāo)體的位置：

根據(jù)測(cè)得的雷達(dá)波用時(shí)，自動(dòng)計(jì)算目標(biāo)體的位置深度z 和發(fā)育范圍x。

決定電磁波在介質(zhì)中傳播深度的參數(shù)是電導(dǎo)率μ，在電導(dǎo)率值確定時(shí)，介電常數(shù)ε 決定傳播速度，由此可知，電磁波在傳播路徑中電性差較大的分界面也是傳播速度差異較大的分界面，當(dāng)電磁波傳播時(shí)遇到這種分界面后，反射回波中會(huì)含有這種電性差信號(hào)。

基本參數(shù)包括：

（1）電磁脈沖波旅行時(shí)間

式中：z 是目標(biāo)體位置深度；x 是發(fā)射與接收天線的距離（因z 遠(yuǎn)大于x，因此忽略x）；v 是介質(zhì)中電磁波波速。

（2）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：C 是真空中的電磁波波速；εr是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，μr是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率（通常情況下μr約等于1）。

（3）電磁波的反射系數(shù)

電磁波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，路徑不發(fā)生偏折，當(dāng)遇到介電常數(shù)有顯著差異的地質(zhì)體時(shí)，波形發(fā)生反射或折射，反射波的能量隨電磁波的路徑改變而發(fā)生分配，這種能量分配的比例系數(shù)與介電常數(shù)改變界面的反射系數(shù)有關(guān)，公式如下：

2 檢測(cè)方案

2.1 工程概況

某運(yùn)營(yíng)隧道全長(zhǎng)13468m，位于四川盆地東和湖北西之間交界的山區(qū)，構(gòu)造侵蝕，中山陡坡地形，陡坎、懸崖分布廣泛。施工區(qū)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖多發(fā)育砂巖、泥巖、頁(yè)巖等；隧洞口和隧道主體斷層節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，主要不良地質(zhì)有滑坡、巖堆、危巖落石、水平緩傾巖破碎巖層、瓦斯（天然氣）、斷層帶等，尤其以水平構(gòu)造巖層、瓦斯天然氣、危巖落石最具代表性。

2.2 實(shí)施方案

2.2.1 測(cè)線布置

測(cè)線沿隧道走向方向布置，共布置7 條測(cè)線，具體位置分別為隧道左邊墻、右邊墻、左拱頂-1、左拱頂-2、右拱頂、左拱腰和右拱腰。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)測(cè)線布置示意見圖2。

圖2 隧道襯砌檢測(cè)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

人們會(huì)對(duì)采集到的初始圖像進(jìn)行提高信噪比和突出目標(biāo)信號(hào)的處理。一般對(duì)原始圖像會(huì)進(jìn)行零時(shí)校正、增益、帶通濾波和偏移處理。具體流程如下：

（1）零時(shí)校正，以修正雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)延，使地面反射信號(hào)基本處在零時(shí)刻的位置。

（2）增益，以補(bǔ)償電磁波在擴(kuò)散傳播時(shí)的能量損耗，提高深處目標(biāo)信號(hào)的辨識(shí)度，先后使用線性增益來補(bǔ)償波前擴(kuò)散的振幅衰減，指數(shù)增益來補(bǔ)充電磁波能量在介質(zhì)傳播過程中的損耗。

（3）帶通濾波，以抑制圖像中的低頻和高頻噪聲，此次使用通帶為800～1000MHz 的帶通濾波器。

2.2.3 結(jié)果解釋

解釋工作嚴(yán)格按照如下要求：

（1）在掌握測(cè)區(qū)內(nèi)物性參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)按由已知到未知和定性指導(dǎo)定量的原則進(jìn)行解釋。

（2）結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況，總結(jié)歸納周圍潛在的干擾源位置和原始圖件中目標(biāo)體之間的位置關(guān)系，精確區(qū)分有意義的異常信息和干擾異常。

（3）應(yīng)獲取信號(hào)往返所需時(shí)間的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（4）最終解釋成果和雷達(dá)成果圖件應(yīng)當(dāng)符合襯砌質(zhì)量檢測(cè)的要求。

具體解釋流程如下：

（1）襯砌厚度解釋

襯砌界面根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱、頻率變化及延伸情況進(jìn)行確定，見圖3。

圖3 襯砌與圍巖雷達(dá)反射剖面示意圖

如果襯砌比較密實(shí)，反射波信號(hào)幅值較弱甚至無信號(hào)返回；相應(yīng)的，如果襯砌不密實(shí)，有孔洞存在，反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，不連續(xù)且較分散（見圖4）。

圖4 不密實(shí)雷達(dá)反射剖面

如果襯砌出現(xiàn)空洞，其反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，下部有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大（見圖5）。

圖5 空洞雷達(dá)反射剖面

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 襯砌厚度

根據(jù)襯砌設(shè)計(jì)厚度的不同分段，對(duì)整座隧道襯砌檢測(cè)厚度劃分30 段進(jìn)行評(píng)定，統(tǒng)計(jì)每段各條測(cè)線檢測(cè)厚度的平均值、最大值和最小值（見表1），全隧襯砌合格率為94%。

表1 襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 襯砌背后缺陷

通過對(duì)地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行解譯，識(shí)別出該運(yùn)營(yíng)隧道共計(jì)207 處（見表2）缺陷、累計(jì)長(zhǎng)4124.5m。

表2 襯砌缺陷統(tǒng)計(jì)表

3.3 整治建議

由雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果知，該隧道存在一定程度的襯砌厚度不足、襯砌背后脫空或不密實(shí)等隧道典型缺陷病害。根據(jù)不同的缺陷類型，提出整治建議如下：

（1）襯砌厚度不足

針對(duì)局部襯砌厚度嚴(yán)重不足（<25cm），采用局部開窗方案進(jìn)行整治；針對(duì)大面積襯砌厚度嚴(yán)重不足（<25cm），采用增設(shè)套襯方案進(jìn)行整治。若是欠挖至襯砌厚度不足，開窗后需先處理欠挖再恢復(fù)襯砌結(jié)構(gòu)。

（2）襯砌背后脫空

襯砌背后脫空常伴隨襯砌厚度不足，若襯砌厚度小于25cm，則參照襯砌厚度不足措施進(jìn)行處治；當(dāng)襯砌厚度大于25cm 時(shí)，則采用非收縮漿液進(jìn)行充填注漿處理。

（3）襯砌背后不密實(shí)

針對(duì)襯砌背后不密實(shí)的部位及程度，若需結(jié)構(gòu)修復(fù)或補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，參照襯砌厚度不足措施進(jìn)行處治；不需結(jié)構(gòu)修復(fù)或補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，則采用非收縮漿液進(jìn)行充填注漿處理。

4 結(jié)論

4.1 結(jié)合運(yùn)營(yíng)隧道的特點(diǎn)，利用地質(zhì)雷達(dá)高效率、高分辨率以及無損檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，安全、高效地完成運(yùn)營(yíng)隧道襯砌檢測(cè)工作。

4.2 通過數(shù)據(jù)分析和解譯，詳細(xì)列出該隧道襯砌所存在的襯砌厚度不足、襯砌背后脫空和不密實(shí)等典型隧道缺陷，為后續(xù)隧道缺陷整治提供技術(shù)依據(jù)，并分類分級(jí)提出了相應(yīng)的整治措施建議。