摘要：随着我国经济的快速发展，水利工程项目也越来越得到政府等部门的高度重视，水利工程作为基本民生工程，承担着我国经济崛起的保障作用。在现今的水利工程项目施工中，隧道衬砌作为技术难点之一，在建设以及质量检测过程中都存在着很多不可预知的因素，目前常见的隧道衬砌的问题有衬砌厚度不足、衬砌脱空、衬砌后回填密实度差等，这类的问题的存在为水利工程后期运行维护带来了很大困难。探地雷达技术作为一种高新技术，将其应用在水利工程质量检测中，能够节省很大的人力物力，探地雷达对隧道衬砌厚度、脱空、回填密实度等进行检测，可以有效、准确、及时的发现隧道衬砌出现的各种质量问题，并且能够对这类质量问题的性质以及规模做出评价分析，为隧道衬砌后的病害处理提高有力的数据支持。
关键词：水利工程; 隧道衬砌; 质量检测; 探地雷达
1 相关理论研究
随着水利建设项目的增多，水工隧洞工程量也随之急剧增加，随之而来的更是隧洞衬砌出现的质量问题，在对隧洞衬砌质量检测的诸多方法中，探地雷达技术以其无损、快速、简便、分辩率高等特点脱颖而出，使得隧洞衬砌质量检测技术极大地提高，而其技术方法在各个领域的隧道衬砌质量检测中正在被大力推广与应用。
1.1探地雷达检测原理
探地雷达这项技术在检测隧道衬砌质量问题时，是基于隧道衬砌及其背后地层中介质的电性差异而来的，见表1。检测过程中，探地雷达向隧道衬砌及其背后地层中发射一定强度的电磁波，并记录接收反射的电磁波信息进行处理、分析、解释。这是一个过程物探技术。
它的工作过程是由置于隧道衬砌表面的发射天线向隧道衬砌及其背后地层中送入106—109Hz的高频脉冲电磁波，当电磁波在传播过程中遇到衬砌不密实体、裂缝、钢筋隔栅及其背后空洞、含水层等不同介质分界面时，有部分电磁波发生反射，返回到衬砌表面，再有雷达天线接收，雷达主机记录反射能量强度和从发射经介质界面反射线的双程用时。
表1 介质的相对介电常数
探地雷达通过对反射波的接收处理，根据接收时间，电磁波在介质中的传播速度，就可以确定目标体和介面位置，再根据反射波的特点，就可以判断目标的性质。
1.2工作以及数据处理
目前常用的探地霄达测试方法有剖面法、宽角法、环形法、多天线法等。其中，以剖面法应用最为广泛。剖面法的测试结果可以用探地雷达时间剖面图像表示，其横坐标记录了天线在地表（或衬砌面）的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经过地下界面反射回到接收天线所需要的时间。
数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰波，最大限度地提高雷达剖面的信噪比，提取电磁回波各种有用参数，用来解释不同介质的物理特征。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射迭加产土的空间畸变，如偏移处理等。
2 探地雷达在水工隧道衬砌质量检测中的运用
2.1混凝土衬砌
混凝土与围岩存在一定的电性差异。混凝土与围岩密贴时，在雷达剖面图上，第一组连续性较好、能量较强的反射波组，对应了密实混凝土衬砌层，如是复合式衬砌则有两层连续性好、能量较强的反射波组，它们分别与二次衬砌、初期支护相对应。
隧道衬砌施工中由于操作及施工工艺等问题，极易在衬砌中形成局部不密实、脱空及空洞等衬砌缺陷，隧道衬砌回填不密实，就会有多个界面对电磁波形成反射，不密实的混凝土体在探地雷达剖面图上波形杂乱，同相轴错断。如果雷达剖面图上出现零乱、不连续的强反射能量团块异常，那就是衬砌层或回填层中的不密实处。
关于缺陷损伤鉴别，原理上也有依据缺陷边界两侧介电常数的差异导致微波反射和散射，引起反射波和透射波幅度和相位的变化，据此非破损地确定缺陷的位置、范围和取向。利用探地雷达可检测隧道衬砌密实性及是否有空洞、脱空，以及围岩状况等。
2.2脱空检测
某引水隧道出口段围岩为砂砾石层，衬砌为混凝土衬，内上设钢筋网，衬砌厚度50cm，由于衬砌后未做回填处理，部分拱顶衬砌层下砂砾石层发生了坍塌现象，为确定坍塌段或空腔位置，采用探地雷达对其拱顶部分进行了检测。
衬砌的脱空现象一般是存在于衬砌底界面下方，而脱空形成的空腔内必然会被空气或水填充。由于混凝土与空气或水之间存在很大的电磁波波速差异，电磁波由混凝土衬砌层进入空腔会使电磁波的频率、振幅等发生很大变化，并在空腔的上、下界面之间发生多次反射，使其在剖而图上形成一个相位错断、反射信号很强，振幅较大、同相轴呈弧形，开口向下的双曲线形式的异常界面特征。然而在实际的工作中空腔的形态往往是任意的而不是理想状态的，这时实际测试的异常结果就并不是标准双曲线形式而是变形的，有时甚至成为直线形式的异常反射界面，这时可结合异常反射界面的位置、反射波的振幅、同相轴的连续性、信号强度等方面来进行综合分析，同样可以推断出衬砌空腔的空间分布特征。
2.3回填密实度检测
回填不密实现象一般也是出现在衬砌底界面下方，但它与空腔在剖面图中的表现特征不同，空腔的主要特征是同相轴连续。回填不密实则是因不密实区域内的介质体的介电常数分布不均匀，电磁波由衬砌层进入后就会形成多个反射界面，且在雷达剖面图上表现为相位杂乱、错断、不连续的强反射能量团，明显与两端的连续信号不间，有较大的反差。
回填不密实，就会有多个界面对电磁波多次反射。如果雷达剖面图上出现零乱、不连续的强反射能量团块（条带）状异常，那就是衬砌层或回填层中的不密实处。
3 结语
通过上述检测介绍我们可以得知，探地雷达在隧道衬砌质量检测中能够取得很好的应用效果，对隧道衬砌质量问题能够进行准确的判断分析，具有较大的应用价值。其中，探地雷达在检测衬砌厚实度、钢筋网、衬砌脱空、回填密实度等方面的检测效果最为明显，同时我们可以看出介电常数的差异在探地雷达中对剖面中异常特征的形成具有很大的影响。
探地雷达作为一种新型无损检测设备，对于隧道工程的质量检测，是完全可行的。它具有穿透深度大、可不接触地进行连续测量，方便、快捷，输出结果直观等特点，这是其他检测设备所无法相比的。另外检测公路路面病害和铁路路基病害状况，以及桥梁施工过程中对桩基础质量检测，还有地质勘探、市政管线探测和考古等都广泛应用了探地雷达。相信探地雷达以其众多的优越性，定会被应用于越来越多的领域。
论文作者:史红莲
论文发表刊物:《防护工程》2017年第12期
论文发表时间:2017/9/20
标签：密实论文; 反射论文; 隧道论文; 剖面论文; 电磁波论文; 空腔论文; 界面论文; 《防护工程》2017年第12期论文;