地质雷达在隧道衬砌检测中应用

摘要：采用新奥法施工的山岭隧道中，围岩本身和初期支护一起作为隧道的主要受力结构，二次混凝土衬砌则主要是起安全储备作用，因此初期支护背后有无脱空或背后空洞的位置形态以及二次衬砌混凝土的实际厚度对于隧道的安全和质量起着至关重要的作用。本文通过地质雷达在蔡大岭隧道初期支护及二次衬砌检测中的应用，介绍了地质雷达的原理、方法、参数的设置、及雷达剖面图的分析，结果表明地质雷达在检测隧道衬砌中的质量缺陷具有定位准确，快速，无损等优点。

关键词：隧道；衬砌；地质雷达；检测

the application of the geological radar in tunnel lining detection

abstract: it is much important that concerning over detecting the thickness of primary lining concrete, the position and shape of cavity behind tunnel lining, for the primary bearing carrier are primary shotcrete and rock bolts, and the secondary concrete lining acts as safety margin, in tunnels constructed with mine tunneling method. it is convenient for taking measures by detecting primary lining, to achieve effective quality-control of construction. this paper mainly introduces the application of radar method in detecting primary support and secondary concrete lining in cai-daling tunnel. the result shows that there are advantages, using radar to detect the defect in tunnel lining, which are swift, lossless and precisely locating, researching from the theory, method, setup of radar and the analysis of radar profile map.

key words: tunnel, primary lining, geological radar, detection

1．前言

隧道因其特有的结构和功能要求，往往施工难度大，容易出现初期支护背后脱空，二次衬砌混凝土厚度不足等问题，给施工和运营造成相当大的危害。为了避免类似问题的发生，就必须在施工过程中及时发现质量隐患并及时清除，通过地质雷达方法检测正好解决以上问题。它以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法很快得到人们的认可，经过长期实践和不断发展被广泛应用于隧道衬砌质量检测中。

2．工作原理

地质雷达无损探测方法利用雷达波通过结构、经目标体反射回来的波形差异进行分析处理检测对象。通过发射高频宽带短脉冲电磁波，电磁波遇到具有不同介电特性的介质时部分返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质的剖面图像。根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数，当存在缺陷时，由于缺陷与良好衬砌或围岩间的介电常数的对比差异，使得缺陷“可见”，这样能精确确定目标体的位置[1~3]。

3．检测实例

3.1 工程实例

3.1.1工程概况

大连市202路轨道延伸工程-蔡大岭隧道位于旅顺南路蔡大岭，隧道进口里程dk4+850，出口里程dk6+420，隧道全长1570m。隧道沿旅顺南路傍山而行，在平面上设置两段圆曲线，呈“s”型布置。洞身最大埋深65.7m，整体埋深较浅且存在较长浅埋段，场区主要发育一条北东向断层，南海头-孙家大岭断裂带(f1)，洞身采用复合式衬砌。

3.1.2测线布置

由于围岩开挖及施工因素，在围岩与初期支护，初期支护与隔水层，隔水层与二次衬砌之间均可能存在一定程度的空洞等缺陷，为了较全面了解隧道衬砌质量，在隧道拱顶、左右拱脚及左右边墙共布置了五条测线，详见图1所示。

3.1.3检测方法

1）、雷达天线中心频率选择

频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高，精度较高，能量衰减较快，探测深度较浅；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低，精度相对较低，能量衰减较慢，探测的深度较深。因此，根据隧道衬砌混凝土设计的厚度及检测要求，本次数据采集使用瑞典ramac地质雷达500mhz主频天线采集，具体参数见图2并携带800mhz天线，以备随时调用。数据传输采用光纤传输，数据存储及现场雷达图像显示采用ibm笔记本电脑及雷达专用数据采集软件ramac groundvision 1.3.6。

2）检测

根据本次检测要求按图1设置五条测线，初衬检测里程为dk5+070至dk5+120,二衬检测里程为dk4+900至dk4+940,为了保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应，在隧道边墙上用红油漆每5m作一个标记，标注里程以供核对。将天线连接好后，使天线在相应测线位置紧贴隧道壁面，操作仪器，沿测线方向作连续剖面测量，当天线对齐某一标记时，在雷达记录中每5ｍ作一个标记，尽量使天线匀速移动，同时记录现场可能对雷达检测造成干扰的各种干扰源。整理资料时，根据标记核查里程，在雷达的时间剖面图上标明里程，以保证点位的准确。雷达波速是计算衬砌厚度的最重要参数，速度标定是通过已知混凝土厚度的准确值，结合地质雷达图像分析得出的脉冲波走时，对喷混凝土内的雷达波速进行标定。

3.2 地质雷达波形分析

探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探地雷达垂直剖面图。探地雷达探测资料的解释包括两部分内容：数据处理和图像解释。只有通过消除随机噪声、压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。再通过对检测波形的时间剖面、波形及振幅的变化规律的对比分析，才能对隧道初支和二衬喷混凝土厚度、背后是否存在空洞及不密实等情况进行综合评判。

图像处理包括图像解释和识别异常是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果，识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容[4]。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。

主要判定特征：①密实：衬砌信号幅值较弱，波形均匀，甚至没有界面反射信号；②不密实：衬砌界面反射信号强，信号为强反射信号，同相轴不连续，错断，一般区域化分布；③空洞：衬砌界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大；④脱空：衬砌界面反射信号强，呈带状长条形或三角形分布，三振相明显，通常有多次反射信号；⑤钢筋网:有规律的连续的小月牙形强反射信号,月牙波幅较窄；⑥钢拱架：单个的月牙形强反射信号,月牙波幅较宽；⑦钢格栅：连续的两个双曲线强反射信号。

3.2.1 初期支护结构

雷达波经发射天线发射后，最先到达接收天线的雷达波为空气直达波，紧接着为表面直达波，再为喷混凝土和围岩胶结面的反射波。反射波能量与围岩和喷混凝土之间的物性差异有关，两者物性差异越大，反射波能量就越强，反之，其能量就越弱。在地质雷达图像中振幅较强、同相轴比较连续的波就是喷混凝土和围岩界面的反射信号，该界面上到表面就是喷混凝土厚度。当混凝土中存在钢筋时，将产生连续点状强反射信号；当混凝土中有钢拱时，将出现特别强的月牙形反射信号，每一信号表示有一钢拱。当喷混凝土背后回填不密实，混凝土与围岩之间有空隙时，由于空气与混凝土介电常数差别较大，电磁波在喷混凝土与空气之间将产生强反射信号[5]。当空洞比较大时，围岩界面清晰可见，在地质雷达剖面图上主要表现为在喷混凝土层以下出现多次反射波，同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位，且其能量明显增强。下图是本次检测的典型图，结果参见图示。

3.2.2 二次衬砌结构

在二衬检测中重要的是追踪初衬与二衬之间的界面反射波，由于反射波能量与二次衬砌和喷射混凝土的物理性质差异有关，两者物理性质差异越大，反射波能量越强，否则能量越弱，如图4二衬与初支之间界面清晰可见，更能直观的了解二衬的厚度。

通过对本次隧道喷混凝土衬砌检测的地质雷达剖面图分析知，初衬喷混凝土背后空洞及不密实区域较多，采取打孔注浆验证取得了较好的效果，二衬厚度设计40cm，经过雷达检测厚度平均值40.5cm,其测试精度满足工程需要。[1~3]

4．结论

4.1利用地质雷达检测隧道衬砌厚度、背后脱空、空洞的位置及形态是能够实现的，而且是准确的，并且检测速度快、效率高，适合于现场的大面积连续快速检测。

4.2检测缺陷时，根据现场情况选用合适的频率天线，才能够得出准确、可靠的检测数据，并且雷达剖面图与隧道实际里程之间的对应也是非常重要的，这样才能得出准确位置的可靠数据，以便采取处理措施，保证质量。

4.3测试中要改善并解决天线安装移动的问题，保证安全快速的检测，提高效率。

参考文献：

[1] 李大心.探地雷达方法与应用.地质出版社.1994

[2] 魏超.肖国强.王法刚. 地质雷达在混凝土质量检测中的应用研究.工程地球物理学报.第1卷第5期2004年10月

[3] 周黎明.王法刚.地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量.岩土工程界.第6卷第3期

[4] 郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用.铁道工程学报.2002年6月第2期(74)

[5]马德芹 探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用 铁道建筑技术 2003（6）

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。