摘要：在高速铁路隧道建设中，常出现混凝土不密实、隧道衬砌厚度不足、衬砌结构与围岩脱空等质量缺陷，导致隧道投入使用后发生漏水、衬砌腐蚀等病害问题，引发隧道安全事故。为了保证高速铁路安全运行，需加强对于高速铁路隧道的质量检测，这一过程中，可应用操作简便、扫描速度快、图像清晰直观的地质雷达法，这种检测方法可高效迅速测定衬砌厚度不足、后背空洞、钢架间距过大、钢筋缺失、保护层厚度不足等质量缺陷。为了保证检测结果的准确性，应加强检测技术现场控制，做好雷达信号处理与图像解读工作，并加强检测误差控制。
关键词：地质雷达法；检测；高速铁路隧道；实践
相较于其他的交通运输方式，铁路运输具有运输能力强、安全可靠的优点，而且相较于公路工程使用寿命较长，经济效益良好，是推动城市发展与市场经济进步的动力源泉[1]。在建设高度铁路时，由于地域跨度大，地质情况复杂，施工周期长，在施工质量、安全、造价管理上，难度较大，为了保障工程质量达标，通常会在施工完成后进行系统全面的检测。高速铁路建设中涉及较多的隧道工程，隧道施工质量对于地铁运行安全有着重大的影响，而且这项工程中常遇到一些难题，例如强风化的破碎岩石，使得施工难度大大提升，为了确保隧道施工质量达标，需采取合理手段进行现场质量检测，而地质雷达法正是目前常用于高度铁路隧道检测中的常用方法。
1.高速铁路隧道检测内容
随着高速铁路隧道工程施工技术水平的提升，人们对于这项工程二次衬砌质量有了更高的要求，比如说，隧道达到一级防水标准，二次衬砌结构不渗水且表面无湿渍。质量标准的提升，是为了督促施工单位在隧道施工中严格按照设计方案及工艺标准作业，因为从目前来看，我国高速铁路隧道施工中仍然存在较多质量问题。以新奥法施工建设的高铁隧道为例，常存在混凝土不密实、混凝土蜂窝、隧道衬砌厚度不足、衬砌结构与围岩脱空、衬砌内存在空洞、衬砌受力不均而开裂等质量缺陷，这些问题会引起一系列隧道病害，比如说漏水、衬砌裂损、冻害或腐蚀等，导致隧道运营年限缩短，增加隧道事故发生风险[2]。
总结这些年铁路隧道事故案例，发现其发生原因主要为衬砌厚度不足、后背空洞。作为隧道主要承重结构，如若衬砌厚度不足，会使得结构中出现薄弱截面，从而降低隧道整体承载力，如若局部衬砌厚度不足，那么薄弱截面处的惯性矩、刚度将会异于常态，继而导致隧道结构整体受力情况发生变化，影响隧道的稳定性，留下导火索。除此之外，隧道结构中衬砌混凝土与围岩是否紧密贴合，也会影响到结构整体稳定性，如若中间存在空洞，将导致围岩松弛，衬砌产生弯曲应力，对于衬砌承载力造成负面影响。有学者研究发现：①在衬砌厚度相同的情况下，进行同样的位移，背后无空洞的衬砌承载力是有空洞者的三倍多，且随着空洞范围的阔大，初期支护和二次衬砌的承载力也会降低；②在同等位移的情况下，衬砌的承载力会随着拱部厚度的不同而产生差异，当厚度为设计厚度的1/2，其承载力将变为预设承载力的1/10；③在检测到衬砌背后空洞时，可采用硬质材料、软质材料回填来弥补，硬质材料回填效果优于软质材料[3]。鉴于衬砌厚度不足、后背空洞等质量缺陷的严重性，必须采取合理手段进行检测，而地质雷达法完全能够胜任这两类缺陷检测的工作，还能够检测出钢架间距过大、钢筋缺失、保护层厚度不足等质量缺陷，工作效率高，检测结果准确。
2.地质雷达法在高速铁路隧道检测中的应用
2.1地质雷达法检测原理
地质雷达法是一种目前高速铁路隧道检测中常用的方法，其工作原理为借助超高频电磁波探测介质电性分布。在检测过程中，需要通过发射天线，将高频电磁脉冲以宽频带短脉冲的形式发送至地下介质内部，电磁脉冲在遇到不同电性介质分界面会发生反射或散射，接收天线可接收这些信号，对信号进行分析，采用公式计算出衬砌厚度[4]。在这一过程中，高频电磁脉冲传播的路径及波形，会随着地下介质的电性质、几何形态发生变化，也就是说，如若隧道衬砌与围岩间存在空洞，会使得雷达剖面相位、幅度发生变化，故而能够发现施工缺陷。此外，电磁波在遇到钢筋会全部反射回来，在雷达剖面上显示强异常，借此可剖析衬砌中钢筋分布的情况。综合探地雷达接收到的所有信息，与隧道中常见地下介质电参数进行对比，基本上可以判断出地下介质的存在与分布情况，从而综合判断施工缺陷。。
2.2地质雷达法检测内容
地质雷达法主要应用于高速铁路隧道检测中的以下模块：①初期支护检测。隧道施工中常出现超挖控制不良的情况，需借助地质雷达探测初期支护厚度、钢拱架数量、支护背后空洞及回填信息等，确保施工缺陷得到有效处理；②二次衬砌检测。在二次衬砌施工时，应采用地质雷达法探测是否存在衬砌厚度不足、背后脱空、钢筋缺失等问题，重点检测隧道拱顶二次衬砌与初期支护之间是否脱空。
2.3地质雷达法的技术要求
2.3.1检测现场技术控制
在应用地质雷达法进行发高速铁路隧道检测时，需注意以下事项：①合理选择天线频率。
检测时需应用屏蔽天线，不同频率天线有着不同特征，适用于不同场合，例如频率高的天线。所发射的雷达波主频高、分辨率高，但是能量衰减较快，所以可探测深度较小，通常情况下，在探测喷射混凝土时，可应用中心频率为400至900MHz的天线，而在探测衬砌背后围岩时，会选用200至250MHz的天线；②里程标识控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆检测时会每隔2m在隧道边墙上做一个单线标记，每10m做一个双线标记，以确保地质雷达图像剖面测点位置能够对应上实际检测里程的位置；③雷达波速的标定。雷达波速是衬砌厚度计算中的重要信息，而且会随着施工工艺及原材料的变化而变化，为了保证检测结果的准确性，可在洞口使用双天线直达法测量出现场雷达波速。
2.3.2雷达信号处理
探测器所接收到的雷达波，表现为高频宽频带的形式，其中包含着各种有效波与干扰波，而且，所接收到的电磁脉冲在波形、波幅上与原始反射波都存在一定差异，为了确保图形可准确清晰地反映出目标体，需对现场采集的数据须进行数字信号处理。具体方案如下：①数据预处理。处理手段包括废道切除、数据归一化、零线设定、去直流漂移；②增益控制。这一工序的目的在于通过时间-增益控制调节机制，来修正扩散、衰减造成的振幅损失，放大深部信号，清晰显示深度缺陷；③滤波处理。采用背景去噪、平滑滤波、一维和二维滤波、小波变换等方法，滤除干扰波[5]。
2.3.3图像解读
获取到清晰准确的电磁脉冲影像后，技术人员需根据所掌握的各种岩土工程介质电磁学特性，总结隧道混凝土衬砌、围岩、钢筋等目标提的雷达波波形特征，比如说混凝土密实，采集的信号幅度若，甚至无界面反射信号，比如说钢筋，表现为连续的小双曲线形的强反射信号，借助这些特征，进行图像解读。具体解读步骤为：①层位追踪。首先判断雷达反射波同相轴是否大致水平，如若正常的话，即可根据图像确定初衬、二次衬砌反射层位置；②雷达异常判释。在遇到异常波形图时，首先将假异常信号排除，然后再采取合适的数据库处理手段压制干扰波，再判释雷达剖面图像，在这一过程中，钢筋识难度较低，但是要想确定钢筋背后目标体的情况，应采用衰减补偿增益；③其他异常体波形特征的分析。这一工序的目的是为了确定其他缺陷，如若在钢筋附近发现质量缺陷，应予以炎症，，必要时可开孔检测；④缺陷具体信息判定。根据图像解读结果，综合高速铁路隧道施工的设计资料，明确设计衬砌厚度、钢筋分布的具体位置和数量，从而判断是否存在衬砌厚度不足、背后空洞的情况，描述具体信息，并提出相应的解决方案[6]。
2.4地质雷达检测误差控制
在应用地质雷达法检测高速铁路隧道缺陷时，由于仪器本身系统误差、参数设置误差等问题的存在，以及衬砌表面平整度、存在障碍物、天线与衬砌表面接触不良等事件的影响，难免存在误差。
为了提升检测结果的精确度，应采取以下方法加以控制：①电波速度误差控制。受到衬砌混凝土强度等级差异的影响，雷达波在其中的传播速度会不断变化，在正常情况下，雷达波传播速度为11至13 cm / ns，会出现0.5ns的正反程时间误差，使得最后计算得到的衬砌厚度存在2至3 cm的检测误差，可通过多次测量的方式修正；②空洞的定位误差控制。在进行地质雷达隧道检测是，会在拱顶设置1条检线，拱腰、边墙分别设置2条检线，仰拱设置1至2条检线，如果单纯依靠某条测线，很难精确定位空洞的位置，判断其范围，应该在空洞位置处正交补测 1 条及以上的短测线，进行立体化剖面检测，从而精确判定空洞的位置及大小；③钢筋混凝土衬砌双层钢筋的影响。地质雷达法应用的是具有准光学特性的高频电磁波，在遇到金属时会发生全反射，导致接收天线只能接收到部分能量，其余地会再次反射到钢筋处，导致电磁波在天线与钢筋之间形成多次反射，无法有效判断钢筋背后缺陷，而且以现有的滤波方法，无法消除这种影像，需进一步研究；④里程定位误差。在检测过程中国，由于里程标识精度以及检测车速度不均匀的影响，会造成里程定位误差，要想消除这种误差，技术人员在检测时应该严格控制检测车速度，确保其匀速平稳行驶。
3.结语
高速铁路运输具有运输量大、运行时间长的优势，由于近些年来日益增长的长途运输需求，这一交通体系迅速发展。随着科学技术的发展，隧道施工技术日益成熟，为高速铁路建设提供了技术支持，有效缩短了铁路运行长度，提升了交通运输的效率，但是从技术难度上看，隧道施工难度还是比较大的，容易出现一些质量问题，比如说在隧道初期支护钢架布置中常出现钢架间距超标的问题，这些问题会埋下安全隐患，危及铁路运输安全，必须在施工阶段采取合理措施检测出来，加以修正。以往在隧道检测中，常应用钻探取芯、开挖取样等检测方法，检测周期长，容易延误施工，为了能够提升工作效率，施工单位引进了操作简便、扫描速度快、图像清晰直观的地质雷达法。
参考文献：
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[5]赵亚军，王汉友，何滔.基于属性分析技术的地质雷达法在石宝铁矿断裂构造探测中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2017（13）：165-166.
[6]黑明昌.地质雷达法在公路隧道超前地质预报中的应用——以元蔓高速南罕隧道右幅进口为例[J].价值工程，2017，36（22）：181-182.
论文作者:魏志高
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/5
标签：隧道论文; 地质论文; 厚度论文; 钢筋论文; 空洞论文; 缺陷论文; 误差论文; 《基层建设》2019年第11期论文;