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摘要：探地雷达法隧道衬砌结构质量检测技术具有无损探测、快速检测等优点，其利用高频电磁波脉冲反射技术，可以有效探测到隧道衬砌结构中存在的病害，使其广泛应用于隧道衬砌结构质量检测中。同时总结了探地雷达法隧道衬砌结构质量检测原理、探地雷达在隧道质量检测中的影响因素分析等，研究并给出了几种探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用，对于判断隧道衬砌结构质量的好坏具有重要意义。
关键词：隧道；探地雷达；衬砌结构；检测；电磁波
引言
随着时代不断演变，我国公路、铁路等基础建设正处于飞速发展中，隧道工程项目不断增多。由于受到主客观因素的影响，隧道施工成本较高，施工条件复杂化等，工程整体质量要求相当高。而传统的隧道衬砌质量检测方法，比如，钻孔探测法，已经无法满足时代发展的客观要求，各方面存在的问题日益突显。而探地雷达是科技发展的产物，属于一种全新的无损检测技术，能够实现隧道结构无损、连续性检测，检测的精准度非常高，检测速度非常快，也不会破坏隧道结构。它的应用在一定程度上减少了安全事故的发生，有效防止裂缝等现象的出现，使隧道工程更好地投入到使用中，保证了隧道工程的整体质量，具有较好的经济效益、社会效益。
1 探地雷达的工作原理
探地雷达法基于地下或被探测物体中不同介质具有不同介电特性这一物理基础进行的。探地雷达在工作时，由雷达发射和接受高频率、短脉冲电磁波（一般频率为10MHz～2500MHz），并根据雷达系统接收到的来自目标体中介质反射的电磁波的波形、振幅、频率、相位等物性特征，对地下介质或被探测目标体的位置、埋藏深度、形态、结构、材料性质等作出初判断，再结合相关被探测对象的基本资料和文献等作出综合地分析和判断。根据接收到的反射波幅度与波形资料可以推断介质的结构，根据电磁波在介质中传播的波速v和双程旅行时间t可以计算出界面深度。在探地雷达对隧道衬砌质量进行实测中，将发射天线和接收天线密贴于衬砌混凝土表面，当发射天线沿被探测物表面移动时就能得到混凝土内部介质剖面图像，其工作原理如图1所示。
图1 探地雷达工作原理示意图
当电磁波通过发射天线进入混凝土衬砌中传播时，遇到钢筋、钢支撑、材质有差别的混凝土、混凝土中间的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩石分界面、岩石中的断面等发生反射，由接收天线接收到反射波。根据接收到的反射波的运动学和动力学特征（如反射时间、幅度、频率与波形变化等资料）就可以推断混凝土的内部结构（如钢支撑、钢筋网、空洞缺陷、衬砌分层等的深度、形状）。
2 探地雷达在隧道质量检测中的影响因素分析
探地雷达应用于隧道衬砌质量检测的无损检测技术日臻成熟，随着市场需求的不断增长，其应用范围越来越大。因此，探地雷达检测的精确度是否能达到规定和预期的要求，逐渐成为人们关注的问题。在隧道衬砌结构质量检测中，探地雷达现场数据的采集效果将直接影响到雷达图像的质量和后期的处理解释。在现场数据的采集过程中，探地雷达的精确度受天线类型、参数设置、介质的物理性质、电磁波散射等综合因素的影响。另外，检测环境对探测效果的影响也不容忽视，尤其是在施工中的隧道进行质量检测时，混凝土的龄期、隧道里程标记、隧道内施工的台车、台架、堆放的钢筋、水的影响等。
2.1 环境湿度的影响
在隧道尤其是长大隧道的施工中，由于通风不良等因素造成隧道内的温度较高，湿度较大。在靠近通风口或干燥与湿热接触面所在段落内，隧道拱部的混凝土表面往往湿度较大，甚至出现结露现象。在检测隧道衬砌混凝土时，由于水的存在，导致雷达信号的较大衰减，使得探地雷达的穿透深度降低，波速减小，反射波的幅值降低，影响探测精度和结果。同理，在检测隧道仰拱及回填层密实度时，隧道路面的积水或路面含水量过大等因素也会影响检测结果的准确性。
2.2 天线移动速度和耦合情况的影响
隧道衬砌质量检测结果的准确性还受到一些人为因素的影响。现场检测时，里程的标记一般为5m，天线的移动速度为3～5km/h。检测过程中天线应尽量保持匀速，但一般情况下检测隧道拱部位置时都是在检测车上进行的。天线移动速度不均匀，加上里程桩号标记上的误差，会使雷达剖面上目标体的位置发生偏差，造成检测结果的不准确性。另外，数据采集时保证天线与衬砌混凝土表面的密贴也至关重要，若天线耦合不好会直接影响数据的准确性。
3 探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用
3.1检测方法
就隧道而言，衬砌是其不可或缺的核心承载结构，是隧道防水的关键性设置，其施工质量和隧道长期稳定性息息相关，必须对隧道衬砌质量检测放在首要位置，引起高度的重视。隧道衬砌需要检测的方面较多，比如，衬砌厚度。在用探地雷达检测隧道衬砌质量的时候，需要采用500MHz、800MHz天线，必须把握好检测厚度范围，需要在1～3m左右，还要根据隧道衬砌的实际情况，在隧道的拱顶、边墙等部位布置五条侧线。在隧道中，拱顶大都位于隧道的正顶附近，隧道起拱线上方1m左右为拱腰，排水盖板上方1.5m左右为隧道的边墙。在测量的时候，一定要全面分析隧道工程特点，合理运用连续测量的方法进行测量。在检测过程中，需要应用测量轮随时测量对应的里程，隧道边墙每隔10m的位置做上里程符号，为之后校正隧道剖面的里程符号做好铺垫。同时，探地雷达时间剖面的各个测量位置也能和实际检测出的里程吻合。此外，天线一定要和洞壁紧紧相贴，并做匀速运动，有效防止天线在颠簸状态下影响隧道时间剖面。进而，影响检测的结果。
3.2 资料处理解释
衬砌结构质量是隧道施工质量的重要指标，直接影响隧道衬砌结构承载能力和运营寿命，是防止隧道围岩变形、防水保温、保障安全的重要措施，因此要对隧道衬砌结构质量评价引起高度的重视。在对隧道衬砌结构质量检测数据进行处理解释时，主要通过2个内容进行判识：1）初次衬砌质量检测。主要是对初次衬砌结构与围岩结合状态的评价，判断初次衬砌回填密实度、有无脱空、衬砌厚度、钢拱架布设是否合理等；2）二次衬砌质量检测。主要是对二次衬砌结构质量的评价，判断二次衬砌结构的厚度、喷射混凝土的密实度、钢筋布设是否合理等。
探地雷达原始数据的处理流程可以分为：数据传输、表头编辑、数字滤波、零点归位、波形增益、时深转换、输出图像等。在检测数据质量较好的情况下，可以直接根据预处理数据对结果进行处理解释，但由于隧道环境的复杂性以及各种干扰源的存在，需要通过去除噪声、带通滤波等人为手段压制干扰信号，突出有用信号，对于那些无法去除的干扰信号，在现场进行数据采集时进行标记，在数据处理解释时应特别注意。
探地雷达波形图主要是根据波形特征、振幅强弱、同向轴连续性等特征来进行判释。当初衬结构内部介质均匀、胶结密实，没有脱空离析现象时，雷达波形图连续均一、无明显反射响应特征。由于围岩、衬砌结构、
钢拱架等介质属性存在差异，这些差异会通过电磁波的反射在雷达波形图上呈现不同的响应，只有掌握了各种介质的雷达波响应特征，才能够对检测结果进行判释。
结束语
总而言之，在检测隧道衬砌质量的过程中，探地雷达的应用发挥着不可替代的作用。它的应用能够缩短各种信息数据采集的时间，检测结果会以图像的形式呈现出来，直观而形象，准确检测出衬砌厚度、空洞缺陷等。更为重要的是，探测精度非常高。在此基础上，隧道衬砌、路基、隧道病害等各种缺陷特征都能准确的判定出来，能够及时采取可行的措施解决施工过程中存在的质量隐患，避免安全事故的发生，不断提高隧道工程的整体质量。以此，使隧道工程更好地投入到使用中，具有较好的经济效益、社会效益，也使我国的基础工程建设事业走上健康持续发展的道路，拥有更加广阔的发展前景。
参考文献
[1]余敏,张新,唐齐许.探地雷达在水工隧道衬砌质量检测中的应用[J].湖南水利水电,2015(02):5-7+20.
[2]郭昌祚.探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].公路交通科技(应用技术版),2013,9(04):148-152.
论文作者:张亮
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/17
标签：隧道论文; 结构论文; 质量检测论文; 天线论文; 混凝土论文; 质量论文; 里程论文; 《基层建设》2018年第28期论文;