摘要：为保证隧道在长期运营过程中的行车安全，参建各方对隧道施工过程质量的要求越来越严，而地质雷达作为一种无损检测手段，凭借其高精度、快捷连续、操作简便等优点，在隧道衬砌质量检测中占据着重要地位。
关键词：地质雷达；隧道；二衬检测；
一、地质雷达的工作基本原理
地质雷达作为一种无损检测技术在各个工程领域都有重要的应用，例如场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、地质超前预报等。地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体。其探测过程如下：地质雷达通过发射天线向目标体发射高频电磁脉冲，此脉冲在向目标体传播过程中遇到目标体介质分界面或物性变化时会产生反射（二衬检测中钢筋、混凝土、防水卷材电磁性质差异大的特点为探测提供了物理前提）。反射波传播回探测体表面后被接收天线所接收，并将其传入主机进行记录和显示，每一测点接收到一道雷达波形，一条测线上全部测点的雷达波形排列在一起，形成完整的雷达剖面，经过资料的后处理，进行反演解释便可得到目标体的位置、分布范围、埋深等结果。
二、数据采集及处理
1.隧道检测中采用纵向布线连续测量的方式，测量人员以隧道进出口为基准点使用测绳沿隧道放线测量，每5～10ｍ标记一次；检测人员在检测台车上顶举天线使其和隧道衬砌表面密贴，检测车以每小时3～5ｋｍ的速度沿待检测隧道运行，采集地质雷达数据。
2.数据处理包括预处理和分析处理。预处理包括废记录切除、零点校正、里程归一化、道间能量均衡、增益调整、滤波、背景去除等步骤。通过这些处理可以压制各种干扰波、消除剖面上多次波和其他背景干扰、突出有效层位信息，并使里程及深度信息准确。在预处理的基础上通过分析处理对各种异常信息和层位信息做出正确解释。
三、衬砌缺陷的形成机制及雷达图像形态特征
1.衬砌空洞。衬砌空洞广泛存在于隧道各个部位。空洞不仅会造成衬砌混凝土开裂、破坏，严重时会使围岩应力变化进而导致围岩失稳。按照空洞出现位置及成因的不同，主要可分为以下几种。（1）防水板与初支之间的空洞。此类空洞多是由于初支基面不平整且未用砂浆补平或防水板铺挂过紧，导致二衬混凝土无法突破阻隔将防水板与初支面之间的空隙填满而形成的。（2）防水板与衬砌之间的空洞。浇筑衬砌混凝土时，一般从两侧拱脚自下而上分层对称进行浇筑；施工至拱顶时，借助输送泵压力克服混凝土自重及输送泵阻力连续顶升直至拱顶灌满砂浆，故压力不足可造成空洞。另外混凝土本身存在一定程度上的“干缩”现象，受混凝土流动性影响，由“干缩”引起的空洞多集中于拱顶部位，拱腰次之。在施工过程中多会在拱顶预留一定数目的注浆孔，以留作后期二次注浆之用。（3）混凝土内部不密实。当模板内混凝土振捣不充分时在混凝土内部会出现程度不一的不密实现象，当衬砌为钢筋混凝土时，此类缺陷较易发生。
2.钢架及二衬钢筋数量。当隧道围岩较差时，为了抑制围岩过大变形，增强支护抗力，可考虑在初期支护中加设钢拱架，并在二次衬砌施作中采用钢筋混凝土来共同承担围岩压力和变形。钢拱架、二衬钢筋数量不足严重危及隧道结构安全，对线路运营期间行车安全埋下巨大隐患，而这主要由于施工队伍安全意识淡薄，心存侥幸，偷工减料所致。钢架及二衬钢筋数量的判识较为简单，二衬钢筋在地质雷达图像上呈现为连续的小双曲线形强反射信号，而钢拱架则呈现为分散的月牙形强反射信号。
3.衬砌渗漏水。衬砌渗漏水多出现在裂隙及地下水发育地区，在隧道施工过程中也时有遇到。隧道渗漏水不仅会引起衬砌内部金属构件锈蚀，而且也会侵蚀衬砌内部混凝土，造成衬砌结构强度减弱，在寒冷地区则易造成衬砌冻胀裂损。引起衬砌渗漏水的原因有很多，除了围岩节理裂隙发育、地下水富集等外在地质条件外，施工过程中质量控制不到位也是引起衬砌渗透水的重要原因，主要包括：（1）混凝土施工时振捣不实，在水压力作用下混凝土内部形成泌水通道；（2）由于初支基面处理不当以致防水板被锚杆头等尖硬物刺破；（3）防水板或止水带施工不规范；（4）预埋排水系统发生堵塞或流通不畅。当隧道渗漏水严重时，衬砌表面会出现面状渗水、滴水成线等，甚至会在薄弱拱顶处形成“水帘”。当遇到衬砌渗漏水时，雷达剖面往往呈现出水平连续强反射信号，展布范围较大，且多次波明显。
四、工程应用
1.工程概况。某隧道为一分离式隧道，隧道长8400m，净空宽×高为14m×5m。设2个斜井，斜井净空宽×高为10.6m×5m。隧道区内地势起伏大，相对高差170m，地形坡度20°～35°，进口地貌类型属高原溶蚀地貌中的峰丛洼地型。出口冲沟发育，呈V型，地貌类型属于高中山陡坡地形。轴线高程1435～2425m，相对高差990m。隧道轴线与地层走向呈斜交。本次对该隧道2#斜井的二衬质量检测，检测段落为XJK1+120～XJK0+225。
2.参数设置。本次检测仪器采用美国GSSI公司研制的SIR 4000地质雷达。检测之前，根据实际情况，调节相应的参数（主要包括雷达天线中心频率、时窗和采样次数等），以达到仪器的理想状态。考虑到探测对象为隧道二衬质量，检测参数为二衬的厚度，钢筋数量及二衬支护背后是否有空洞，所以本次检测采用400MHz中心频率的天线，采用连续测量方式测量。探测时窗主要取决于探测的深度，本次探测主要为二衬支护探测，检测深度在1m之内即可，则时窗可取为30ns。
3.测线布置。根据规范要求及项目实施大纲，沿着隧道走向的5条测线，即左右边墙、左右拱腰、拱顶。
4.地质雷达探测结果
（1）二衬厚度及空洞检测结果。图1是采用RADAN7软件处理后的地质雷达灰度图，该检测段桩号范围是左拱腰测线截取的XJK0+860～XJK0+842段。该段二衬设计厚度为35cm。由于防水层与二衬混凝土介电常数差别较大，电磁波在防水层与混凝土界面传播时将产生较强反射信号，若存在层间脱空，空气和混凝土的电磁性差异更大，反射更加明显。根据图1可以看出混凝土厚度整体满足设计要求但由于空洞和层间脱空致缺陷部位厚度不足，按照《公路工程质量检验评定标准》及《公路工程竣（交）工验收办法实施细则》的规定，二次衬砌混凝土背部密实状况检测项目合格的标准为：无空洞，无杂物，故评价该段不合格。建议施工方打孔或通过预留孔注浆。
图1
（2）二衬钢筋数量检测结果。图2拱顶测线XJK1+120～XJK1+108段经RADAN7软件处理后的灰度图。由于钢筋与混凝土介电常数差别很大，电磁波在混凝土与钢筋界面传播时将产生强烈反射信号。
图2
图2中用四角星标记出了钢筋具体位置，通过雷达扫描时检测人员做的标记线数出标记线内的钢筋数量，结合设计参数算出钢筋数量做比较可评定出钢筋数量是否满足设计要求。
五、总结及注意事宜
总之，地质雷达作为一种无损检测技术，具有成本低，操作方便快捷，探测精度高，数据采集与处理集于一身，目标体等异常图像清晰且易于识别等特点，能有效检测出钢筋异常以及二衬厚度。但在检测过程中有很多地方值得注意。
（1）安全。隧道二衬检测涉及高空作业，一定要做好安全防护工作。
（2）为了检测结果有较好的溯源性，检测前应沿纵线做标记线，并5至10米标出桩号信息。检测人员之间要默契配合，规范打标，便于缺陷定位。
（3）根据检测环境不同对介电常数要做标定，算出混凝土介电常数或者电磁波速度，对于特长隧道或地质变化大的地段应多次标定。使得深度信息更为准确。
（4）对检测环境要详细记录，如遇干扰较大影响确判识时不能盲判，需重新检测，并及时打孔验证，不断总结经验。
参考文献：
[1]李宏宇.隧道衬砌无损检测技术的发展.2017.
[2]王梦瑶，浅谈地质雷达在公路隧道二衬质量检测中的应用.2017.
论文作者:钟强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：隧道论文; 混凝土论文; 地质论文; 钢筋论文; 空洞论文; 拱顶论文; 渗漏水论文; 《基层建设》2019年第14期论文;