提高電氣化鐵路運營隧道襯砌質量無損檢測結果有效性的方法

張智慧 宗志剛 張宏萄

1.中土建設（北京）工程檢測有限公司， 北京 100085； 2.中國科學院 青藏高原研究所， 北京 100101；3.北京奧科瑞檢測技術開發有限公司， 北京 102488

對襯砌質量開展無損檢測是運營隧道管理維護的一項重要內容。高效準確的無損檢測能夠提前發現襯砌病害的類型、位置、程度及其他特征參數，為養護與整治提供科學依據。高速鐵路、客運專線列車時速一般在250 km以上，一旦隧道掉塊砸到運行列車上后果嚴重。因此，如何有效開展隧道襯砌質量檢測工作顯得尤為重要。

在多年實踐中鐵路隧道襯砌質量檢測技術持續發展與進步。自1999年起，地質雷達法以其快速、無損、定量等優勢被廣泛應用于鐵路隧道檢測［1-2］。2004年中國鐵路工程總公司組織編寫了《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》，統一了鐵路隧道檢測要求，明確了檢測方法和技術指標。近二十年來技術人員圍繞地質雷達法的有效性及應用效果進行總結，并不斷應用到各種場景中。基于地質雷達技術又開展了非接觸式檢測［3-4］，車載快速檢測［5］，以及地質雷達與爬行機器人［6］相結合的隧道襯砌質量檢測，并取得豐碩成果。

然而，當前隧道襯砌質量檢測過程中依然存在不少檢測結果不準確、可靠性不高的問題，使建設和管理單位對以地質雷達法為主的檢測方法的有效性產生懷疑。造成結果不準確的因素很多，如現場檢測條件、方法以及檢測人員對檢測要素的理解和專業認知不足等。有鑒于此，本文結合大量既有線電氣化隧道檢測實踐，從現場檢測、數據處理等方面，探討提高襯砌質量無損檢測結果有效性的方法。

1 運營線隧道檢測存在的問題

1.1 未充分認識不同時期隧道檢測特點與要求差異

建設時期與運營期隧道襯砌檢測的工作環境、檢測目的與管理要求差異較大。建設時期檢測工作可緊跟施工進行，檢測時間自由、干擾少，檢測區域小，檢測效果較好。此時檢測工作注重全面質量與過程管控，主要針對初期支護厚度及背后密實程度，初期支護中鋼拱架、鋼格柵的分布，二次襯砌厚度及二次襯砌與初期支護之間的密實程度，襯砌混凝土本身的密實程度，襯砌內部鋼筋間距及鋼筋保護層厚度等開展詳查。運營期鐵路隧道襯砌質量檢測，主要針對二次襯砌與初期支護之間密實程度、襯砌厚度、襯砌內部鋼筋分布以及表觀病害。襯砌結構受力區是重點關注對象，但此時襯砌拱部及邊墻已安裝各種接觸網吊柱、線纜等（圖1），不利于開展檢測工作。另外運營期隧道檢測只能在天窗進行，有效檢測時間少，對檢測工作的組織、檢測效率、質量和安全要求更高。

圖1 運營鐵路隧道襯砌質量無損檢測現場

不同時期一概而論的檢測，會導致檢測單位與管理單位對檢測內容、關注重點、檢測程度等理解偏差，從而影響檢測結果的準確性。因此，建議根據工程階段、檢測條件與管理要求，明確檢測內容、要求及重點，做到有的放矢。

1.2 數據缺失（無效）嚴重

地質雷達檢測數據缺失是造成既有線檢測結果不準確的主要原因。當前大部分檢測單位使用軌道車平臺、人工舉持天線等方式進行檢測。軌道車最低行駛速度5 km/h，在通過接觸網等設施時檢測人員必須提前降低天線，待人員和天線通過后再行舉起，這就造成接觸網吊臂兩端至少10 m數據無效。另外，將長度大于3 m、重量大于5 kg的雷達天線通過長桿舉起，費力且易失去平衡，同時還要求緊貼襯砌壁，難以長時間保持。因此，由于操縱困難，加之緊貼襯砌的摩擦阻力，常常使雷達天線脫離襯砌表面，從而造成有效數據大量缺失。可見，沒有豐富的經驗與完善的保障措施，無法確保檢測質量。不熟悉鐵路的檢測單位該問題尤其突出。

1.3 較強的鐵磁干擾

接觸網吊臂、線纜遇到雷達信號時，內部會產生感應電流，對地質雷達信號干擾較大，掩蓋了有效探測信號，且越靠近接觸網干擾越嚴重。從強干擾背景中有效識別病害異常，尤其是襯砌空洞、不密實非常困難。如果技術人員對現場不熟悉，就無法采取針對性處理措施，減小干擾，突出目標信號。其結果是簡單、盲目處理，從而導致檢測結果可靠性差。

1.4 檢測效率低

一般的軌道車或平板車平臺檢測時只能單線通行，而由人工舉持天線避讓線纜，檢測效率相對較低。

1.5 檢測數據定位精度低

定位精度較低是造成檢測結果不準確的一個重要因素。目前隧道襯砌質量檢測的數據采集主要采用時間觸發模式。該模式通過保持檢測平臺勻速前進、數據與隧道樁號同步標記來實現距離與里程的對應。然而實際檢測過程中，檢測車前進速度變化較大，尤其在規避接觸網臂柱時容易產生較大距離誤差。此外，檢測里程系統與管養單位里程系統應保持一致，方便管養單位對病害進行復核處置。

1.6 人為因素

現場采集數據時沒有標識干擾源，導致數據處理時沒有采取針對性措施，不能結合工程實際情況給出合理判定結果。簡單參照以往新建隧道的檢測經驗，不管數據質量，盲目追求效率，加之數據分析人員不了解檢測對象與現場情況，或缺乏電磁學與工程地質專業知識，或生搬硬套理論，往往會得出一些明顯不合理的結論。

1.7 部分檢測結果不審慎

部分隧道檢測出的病害多，而被驗證的病害較少，導致整個檢測結果準確度下降，可信度降低。檢測結果直接影響結構安全評定和運營整治投入，應采取專業、科學、審慎的態度多加推敲、反復論證，務求客觀。另外，有些檢測結果應緊密圍繞檢測任務、要求進行分析和匯總。如拱頂、拱腰等多條測線上同一位置出現的病害應合并成一個。對于隧道縱向距離小于等于1 m的相鄰病害能否合并，須要綜合考慮，避免同一缺陷或病害因為測線增多而多次顯現，虛增病害數量。

2 提高檢測質量的方法

2.1 堅持使用以地質雷達法為主、其他方法為輔的檢測方法

有不少建設和管理單位質疑，地質雷達法能否有效檢測隧道襯砌質量，尤其是運營鐵路隧道。實踐表明［7-9］，采用地質雷達法能夠準確有效檢測鐵路隧道，尤其是運營隧道襯砌病害。相比沖擊回波法、電阻率法、地震波法等，地質雷達法最成熟、有效和便捷。

檢測工作應選用性能好、應用廣的雷達設備，以降低設備質量和穩定性對檢測結果的影響。使用400 ~600 MHz主頻的天線可滿足大部分隧道襯砌質量檢測對深度與精度的要求。工程需精細檢測時可使用800 ~900 MHz主頻的天線。

在地質雷達數據缺失或者表觀病害突出地段，表觀病害調查（人工調查或掃描成像）和敲擊排查是對地質雷達檢測的有效補充，能夠發現一些雷達檢測遺漏的淺表病害。表觀病害調查主要記錄襯砌表面的裂縫、裂紋、滲漏水、蜂窩麻面、鼓包等表觀病害信息。敲擊排查法是指人工利用剛性鐵錘敲擊襯砌，通過辨識敲擊響應來排查襯砌背后有無空洞、冷縫的方法，主要適用于地質雷達法受干擾比較大的接觸網吊臂、施工縫及襯砌厚度極薄（厚度小于5 cm）區域。需注意的是，雖然敲擊排查法能夠發現一些地質雷達法不能發現的問題，但是對操作人員、檢測環境要求高，難以成為主流檢測手段。

2.2 檢測任務盡量明確合理

確定運營隧道病害檢測任務時，宜堅持從一般到特殊，從普查到詳查的指導思想。對于運營隧道的常規普查，重點關注二次襯砌與初期支護之間密實情況、二次襯砌厚度、二次襯砌內部鋼筋分布情況以及表觀病害調查。對于鋼格柵間距、二次襯砌內部鋼筋間距、鋼筋保護層厚度，在普查中可適當弱化，以免影響對空洞、不密實與二次襯砌混凝土厚度不足等運營期重要隱患的判識。對于局部病害分布、環向施工縫位置、接觸網吊柱病害等確需開展細致檢測的任務，最好針對性詳查。

地質雷達檢測中分辨率與探測深度相互制約。運營鐵路隧道質量檢測，淺部和深部的問題須要區別對待，采取針對性措施。檢測單位不能盲目接受檢測任務，不考慮實際情況和技術條件一味應承。

2.3 合理布置測線數量

運營鐵路隧道襯砌質量普查時，測線可以稀疏一點布置（圖2），重點考慮受力或薄弱位置。若要全面掌握隧道襯砌質量，可采用與雷達天線等寬間距全覆蓋布置測線（圖3）。這主要是考慮在2 m深度范圍內，地質雷達的有效探測寬度與雷達天線寬度相當（400 MHz天線寬0.5 m左右）。局部精細檢測時測線可加密網格化布設。

圖2 普查測線布置（單位：m）

圖3 拱部全覆蓋檢測測線布置

在任務明確、經費允許的情況下，盡量增加地質雷達測線數量，以降低因測線覆蓋不足造成的漏檢。

2.4 優化檢測平臺

人工梯車檢測平臺采用杠桿原理，不用人工舉持，操作簡便省力，能最大程度降低接觸網觸碰風險（圖4）。人工梯車檢測平臺推行速度與啟停控制便利，能盡量靠近吊柱，將檢測盲區長度縮小到1 m以內。這樣有效解決了采用軌道車、平板車平臺等方式檢測時數據缺失問題。人工梯車檢測平臺可上下行線同時檢測，效率高。對于邊墻和隧底可直接將雷達天線貼在待檢位置，人工拖曳施測。

圖4 人工梯車檢測平臺檢測現場

2.5 提高檢測里程定位精度

雷達檢測時，采用距離觸發采集模式可顯著提高檢測里程定位精度。結合隧道里程標綜合標定里程可使距離定位誤差小于1 m。

定位準確是對檢測工作的基本要求。準確的里程定位既方便數據處理、病害判識，又方便后期病害整治。一些雷達檢測結果中病害明確，但在現場卻找不到，往往是定位不準所致。

2.6 加強檢測數據的專業化處理

在電氣化隧道檢測中，由于天線沒有緊貼襯砌表面，造成雷達信號中存在天線直耦波、襯砌表面直接反射波和各種物體的側反射波。這些都屬于干擾信號，容易覆蓋能量相對較弱的目標信號，降低了對檢測目標的識別能力。采用專業化的數據處理方法可剔除或壓制干擾信號，從而提高地質雷達數據處理質量。

數據處理方法中，除常規的濾波，速度分析、F‐K濾波、偏移成像、反褶積等［10-12］均具備不同的壓制噪聲、剔除干擾、突出目標信號的作用，可以針對性選用，以提高異常結果的分析、判讀與提取。

圖5為地質雷達數據處理前后效果對比。該數據由美國GSSI公司的SIR3000型雷達、400 MHz屏蔽天線在某電氣化隧道中采集獲得。

圖5 地質雷達數據處理前后效果對比

由圖5（a）可知：處理前數據圖像上有明顯的側反射干擾波，加上信號振蕩引起的多次波，尤其是24 ~34 m有嚴重的側反射干擾區，沒有經驗的技術人員會錯將該處作為病害指出。針對雷達剖面的特征，首先進行速度分析，根據分析結果進行偏移成像處理，壓制側反射干擾波；然后對數據進行F‐K濾波和反褶積處理。F‐K濾波利用干擾波與有效波視速度的差異進行濾波，剔除干擾成分；反褶積可以有效壓縮子波，提高垂向分辨率，以更好識別襯砌與圍巖的界面。

對比圖5（a）和圖5（b）可知，處理后干擾波得到有效壓制，檢測結果可靠性明顯提高。

由于檢測環境差異，干擾因素不同，導致雷達圖像包含的干擾信號與有效信號各有差異。因此，需依據數據特征、檢測目標作針對性處理，同時結合現場記錄作綜合分析。在數據處理過程中應盡量保留有效信息不被濾除。

后期數據處理分析最好由現場技術人員負責實施。處理人員必須熟悉現場情況，具備地震波傳播、地質構造、隧道設計與施工等相關知識。

2.7 檢測結果力求客觀公正

隧道襯砌檢測結果必須科學、客觀、公正，尤其襯砌內部或背后空洞、鋼筋缺失等質量缺陷必須全面考察后再下結論。對于地質雷達明確檢測出的空洞，與現場調查結果吻合時最好明確給出結論。對于有疑問的檢測結果，須要根據數據特征充分考慮，科學判定。與新建隧道不同，運營隧道空洞等問題的整治涉及到運營單位、管理單位、施工單位以及其他相關單位，檢測結果不準確會給各方造成經濟損失，甚至帶來不良社會影響。因此，給出正式檢測結果前須要與管理單位溝通，尤其是重大病害，要參考管理單位的經驗，避免因為專業差異、經驗不足造成錯誤。

運營隧道初步檢測結果盡量在現場檢測完2 d內給出，以便工務部門對重大問題現場檢查確認。現場確認時最好由檢測單位協助給出病害位置并配合驗證。

3 結論與建議

綜合分析了隧道襯砌質量采用地質雷達檢測結果不準確的原因，提出了有效的解決方法。主要結論如下：

1）與敲擊排查法、沖擊回波法等隧道襯砌質量檢測方法相比，地質雷達法相對成熟，能夠發現鐵路隧道襯砌中絕大部分隱蔽性病害。應堅持以地質雷達法為主要檢測方法，敲擊排查法、沖擊回波法可作為該方法的補充，彌補淺表病害或地質雷達檢測盲區的檢測。

2）根據線路特點、檢測任務與重點，采取相應的組織模式及現場措施。根據普查與詳查目的差異，合理確定檢測內容和方法。盡可能增加地質雷達測線數量，降低因測線覆蓋不足造成的漏檢。

3）采用人工梯車檢測平臺可提高運營鐵路隧道襯砌質量雷達檢測的準確性。該方法操控簡便，能最大程度縮小檢測盲區，減少漏檢；同時能夠有效避免接觸網吊臂等障礙物，降低安全風險。此外，上下行線可同時檢測，效率倍增。

4）提高檢測工作現場定位精度。檢測里程系統應保持與管養單位里程系統一致，方便病害核查與整治。

5）重視現場檢測與數據處理，選取專業技術人員，采取專業方式進行數據處理。這樣可降低在采集、處理、分析等各環節因專業認知差異造成的誤判漏判。盡量考慮全面，檢測結果應本著科學、公正、審慎的態度提出。