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摘要：进入21世纪以来，在社会经济稳步发展的背景下，我国铁路隧道工程建设事业发展迅速。基于铁路隧道建设工程的施工质量及安全性角度考虑，做好其衬砌缺陷检测工作非常重要。值得注意的是，在实际检测工作开展过程中，需结合铁路隧道衬砌的具体质量问题，合理选择检测技术，从而确保检测结果的科学性及准确性。本课题以铁路隧道衬砌质量问题及检测技术问题为切入点，进一步介绍了地质雷达检测法与冲击回波检测法的原理，并通过分析研究对上述两种检测方法的实际应用价值评价，以期为铁路隧道衬砌额缺陷检测工作效率及质量的提高提供有效价值建议。
关键词：铁路隧道；衬砌缺陷检测；地质雷达检测法；冲击回波检测法；应用价值
在铁路隧道建设工程工作开展过程中，需确保铁路隧道衬砌的质量，在使其质量得到有效保障的基础上，能够进一步确保行车的安全。在铁路隧道衬砌中，其构成成分包括拱、边墙（直边墙或曲边墙）、仰拱或辅底等，因可能存在衬砌缺陷问题，因此需做好相关检测工作，传统地质雷达辅助人工敲击检测方法虽然能够取得一定效果，但隧道工程环境条件复杂，有必要在固有检测技术的基础上，进行技术的更新，从而确保检测结果的准确性及科学性[1]。鉴于此，本课题围绕“铁路隧道衬砌缺陷检测中地质雷达法和冲击回波法的联合应用”进行分析探讨具备一定的价值意义。
1.铁路隧道衬砌质量问题及技术问题分析
1.1铁路隧道衬砌质量问题
根据实践工作发现，铁路隧道衬砌的质量问题较多，包括了：其一，衬砌额的强度不足；其二，衬砌的厚度不足；其三，衬砌存在脱空及空洞等缺陷问题。值得注意的是，在一些因素的影响下，比如列车风压、山体应力以冻融等，上述提到的一些质量问题在铁路运营年限越长的情况下会显得越来越严重，倘若未能及时有效的进行处理，将会引发衬砌脱落等严重风险问题[2]。例如：某铁路隧道工程引发了严重的衬砌混凝土脱落问题，其脱落混凝土块为2.0米×0.5米×0.5米，由于预防处理措施落实不到位，导致高速运行列车顶部被砸，从而引发重大安全风险事故，影响了列车的正常、安全运营。
1.2检测技术问题
如前所述，铁路隧道衬砌质量问题体现在多个方面，且会对列车的正常、安全运营受到很大程度的影响。因此，有必要注重检测技术的应用，确保铁路隧道衬砌的质量及安全性。基于铁路隧道衬砌检测内容来看，需做好衬砌的厚度、强度以及内部缺陷等部位的检测工作，其中地质雷达检测法应用广泛，在衬砌额厚度、衬砌额背后回填密实度及衬砌内部钢筋、钢筋检测中较为适用；而对于（声波）反射法，则在隧道衬砌混凝土厚度及内部缺陷中检测较为适用。
但是，从国内铁路隧道衬砌检测工作实际情况来看，虽然地质雷达法的技术优势多，比如稳定性高、检测快速，且可实现无损检测；但是，由于铁路隧道衬砌工作环境负责，不同的工程项目环境存在差异，如果存在双层钢筋网厚度不足，或者钢筋保护层厚度不足的问题，亦或者基于钝感区域存在表层脱空及不密实缺陷等问题，则单用地质雷达检测法易出现漏检测或误检测的情况。与此同时，因技术问题，基于铁路隧道衬砌缺陷检测过程中，声波法的实际应用价值不高。此外，对于敲击法，因需检测工作人员进行主观意识的检测判断，所以其技术客观应用价值不高。
针对上述问题，铁路隧道衬砌缺陷检测工作技术人员建议在使用地质雷达检测法的基础上，可结合冲击回波检测法；主要是因为冲击回波检测法具备对材料力学特性敏感影响小，对混凝土内钢筋及水的影响小等优势，针对铁路隧道衬砌的内部缺陷问题检测效果理想[3]。因此综合考虑，针对铁路隧道衬砌缺陷问题，可采取地质雷达法和冲击回波法的联合应用检测方法，以期提高检测的效率及质量。
2.地质雷达检测法与冲击回波检测法的原理概述
2.1地质雷达检测法
对于地质雷达检测法，主要对介质对电磁波的反射特性加以应用，然后实现对介质内部构造及缺陷的探测的一种技术方法，属于无损检测范畴。如果发射天线所发射的电磁波存在介电常数不一样的界面，会生成反射回波，其接收天线接收到此回波之后，通过分析反射回波的时间及形式，进一步对反射界面到顶面的距离进行确立，并对反射体的性质进行判断。其中，材料的介电常数ε（或波速）的变化决定了是否发生反射；并且，探测深度及分辨率主要受电磁波频率的影响；一般条件下，频率越低，探测深度越深，但分辨率则越低。
2.2冲击回波检测法
对于冲击回波检测法，其在铁路隧道衬砌内部缺陷检测过程中，能够发挥显著价值作用，该检测技术早在上世纪八十年代末便获得应用。国外有学者表示，对于冲击回波检测法，其波长偏长，可将力学特性反映出来，因此在混凝土缺陷检测过程中值得被应用[4]。值得注意的是，冲击弹性波为冲击回波检测的重要媒介，基于固体表面通过激振装置的。击打可使弹性波产生；既可采取人工击打模式，同时也可采取电磁或机械式装置激发产生。在充分对弹性波进行利用的条件下，能够将被测物体的特性多次反射出来，进一步采取频谱分析模式，对衬砌结构的厚度、材质以及缺陷信息获取出来。在频谱分析过程中，会使用到快速傅里叶变换（FFT），同时考虑到该检测技术的分辨力得到有效提升，会对其稳定性加以考虑，进一步配合使用最大熵法（MEM）。此外，材料的机械阻抗z的变化水平决定了冲击弹性波会不会发生反射。所以，在使用冲击回波检测法过程中，需充分考虑上述要素，从而确保检测效果的提升。
3.地质雷达法和冲击回波法的联合应用及效果分析
结合上述分析，认识到不管是地质雷达检测法，还是冲击回波检测法，均有必要根据缺陷部位的反射信号是否存在，同时结合信号的强弱，对缺陷进行分析判断；当入射信号的反射率越高的条件下，那么检测分辨率则越高。为了提高铁路隧道衬砌缺陷检测的效率及质量，下面针对地质雷达检测法和冲击回波检测法的联合应用及效果进行分析，具体内容如下：
3.1联合应用理论分析
针对混凝土缺陷，其介质主要包括两部分，其一为水，其二为空气，为了了解地质雷达检测法与冲击回波检测法的优势，进一步对电磁波与弹性波的阻抗进行对比分析，并完成混凝土中电磁波与弹性波的反射系数对比分析，两组具有的对比数据及结果如下：
电磁波与弹性波的阻抗对比：①混凝土，电磁波阻抗为67-120m/μs，弹性波阻抗为7-11Mkg/（m2?s）；②金属，电磁波阻抗为0m/μs，弹性波阻抗为41Mkg/（m2?s）；③空气，电磁波阻抗为300m/μs，弹性波阻抗为0.0003Mkg/（m2?s）；④水，电磁波阻抗为33m/μs，弹性波阻抗为1.4Mkg/（m2?s）。
混凝土中电磁波与弹性波的反射系数对比：①金属，电磁波系数为1，弹性波系数为-0.58到-0.70；②空气，电磁波系数为-0.43到-0.63，弹性波系数为0.9999；③水，电磁波系数为0.34-0.57，弹性波系数为0.67-0.77。
对比分析结果：根据上述两项对比数据可知，一方面，金属对电磁波为全反射，同时空气对弹性波也是全反射；所以，与冲击回波检测法比较，地质雷达检测法所发射出来的电磁波对钢筋、弹性波，对空气（空洞、脱空）更具敏感性。另一方面，空气与谁对电磁波的反射信号的相位存在负相关性；所以，地质雷达检测法如果存在对空气及水的混合体进行检测时，所出现的反射信号会相互抵消，进一步使检测的分辨率降低；但是空气与谁对弹性波的反射相位一致，因此不会使分辨率降低。所以综合考虑，从理论分析结果来看，可采取地质雷达法和冲击回波法联合应用，从而确保铁路隧道衬砌缺陷检测效果的提升。
3.2联合应用案例分析
为了论证地质雷达法和冲击回波法联合应用的效果及价值，以铁路隧道衬砌施工质量巡检为例，发现在同一测线中，使用地质雷达检测法与冲击回波检测法，均能够对其中的缺陷有效检出。但存在采取地质雷达检测法检出，但冲击回波检测法未检出的情况；同时存在采取冲击回波检测法检出，但地质雷达检测法未检出的情况[5]。但两种技术联合，则可以有效弥补这一问题，从而提高铁路隧道衬砌缺陷检测的质量。值得注意的是，根据实际工程案例，发现地质雷达检测法应用广泛，此项检测技术虽存在诸多优势，但同时也存在一些缺陷，针对这种情况，便需要进一步结合冲击回波检测技术，从而达到提高检测效果的作用。具体案例如下：
图3?开孔验证结果
如图1所示，采取地质雷达检测技术，对拱顶衬砌为混凝土进行检测，存在检测结果不密实的问题，经判断主要是因为雷达信号不明显；值得注意的是，图1属于地质雷达模拟图像，其中测点距离用横轴表示，深度或反射时间用纵轴表示，观察图可知缺陷反射不具明显性，同时在衬砌厚度上也不够明显。图2为采取冲击回波检测法进行检测的MEM频谱云图，其反射时间用横轴表示，测点距离用纵轴表示；观察图2可知，方框内弹性反射时间存在显著滞后情况，因此判断属于不密实缺陷；进一步进行开孔验证，发现此部分明显存在不密实缺陷问题（如图3）。综合考虑，在本案例中采取地质雷达检测法效果不佳，但可以使用冲击回波检测法，从而达到顺利完成检测项目的作用。
此外，值得注意的是，相关学者经研究表明，在铁路隧道衬砌缺陷检测过程中，＞70%的缺陷，采取地质雷达检测法或冲击回波检测法均能够有效检出[6]。其中，地质雷达检测法的主要优势为：检测效率高，大约为10m/min，可透过防水板进行检测，从而了解衬砌初期支护的情况；但同时也存在一些检测问题，比如对混凝土不密实检测不具敏感性，对表层脱空及薄层脱空检测不具敏感性。针对上述问题，便可以结合冲击回波检测法进行检测，提高混凝土不密实检测的分辨率及表层脱空、薄层脱空检测的分辨率，最终提高综合检测效果。
4.结语
综上所述，铁路隧道衬砌缺陷检测是非常重要的工作内容之一，在确保检测效率及质量的基础上，能够为进一步解决衬砌缺陷问题提供客观、科学的检测数据支持。本课题提到的地质雷达检测法与冲击回波检测法均具备各自的优势，在实际检测工作中应该根据工程项目的具体情况，合理科学地使用这两种检测技术，达到优势互补的作用，从而使铁路隧道衬砌缺陷的检测效率及质量得到全面提升，进一步为铁路隧道衬砌工作效率及质量的提升奠定夯实的基础。
参考文献
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论文作者:魏志高
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年5期
论文发表时间:2019/7/1
标签：回波论文; 隧道论文; 缺陷论文; 铁路论文; 地质论文; 电磁波论文; 反射论文; 《建筑学研究前沿》2019年5期论文;