张庆
中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院 武汉 430063
摘要：阐述了地质雷达检测的工作原理,并结合具体高速公路隧道检测的工程实例,介绍了地质雷达在高速公路隧道建设过程中对隧道施工质量进行控制的具体应用。
关键词：隧道；地质雷达；质量控制
近年来随高速公路向山区发展，公路隧道数量、规模越来越大。隧道支护体系是关系着结构安全的重要组成部分，若施工不当将出现衬砌厚度不够、衬砌与围岩间存在脱空区、塌方回填不实等问题，导致衬砌承载力降低，影响隧道稳定，严重的可造成拱部坍塌，易给结构安全和营运安全留下隐患，因此须采取适当措施将上述质量隐患找出并排除在正常营运前。但传统抽芯、凿孔、回弹检测方式受条件所限，难以对隧道支护质量做广泛、快速检测。地质雷达检测是近年来应用于浅层探测的一项新技术，其特点是快速、无损、可连续检测，并以实时成像方式显示探测结果，分析、解释直观方便，加上其探测精度高、样点密、工作效率高等优势而倍受青睐。使用地质雷达对隧道衬砌结构进行检测，是物探领域发展较迅速、效果较显著的方法之一。
图1探地雷达原理示意图
1地质雷达探测原理
探地雷达发射和接收的是高频电磁波，据电磁波理论，电磁波在介质中传播特性取决于介质波阻抗 ，而 又主要与介质相对介电常数ε成比例关系，即 。当相邻两层介质的ε存在差异时，即两介质波阻抗 有差异时，使入射到两结构层分界面上的电磁波产生反射（图1），形成反射波，被雷达仪器接收到，从而使该结构层分界面被识别出来。这种波阻抗差异可用反射系数R表示，即 也可用功率反射系数Pr表示，即 。反射系数直接反映介质电性及其差异。由上述表达式可知，在一定深度范围内相邻两介质相对介电常数ε差异越大，反射波越强，反射界面越易识别。
2数据采集方式、主要技术参数
2.1数据采集方式
探地雷达在野外工作时有多种数据采集方式，如自由采集（Free）、连续采集(Continuous)、点采集(Step)等。考虑到隧道质量检测特殊性，一般常采用点采集方式，这种方式利用测量轮触发天线控制开关，可自动、均匀、连续地记录数据，数据采集效率高，其点距范围一般0.01m—9.99m，定位误差为±0.2%左右，定点精度高。
2.2工作参数选择
运用探地雷达检测隧道工程质量时，参数选择是最关键环节之一，包括点距、时窗、采样间隔、叠加次数。
①测点点距的选择取决于天线中心频率、介质的介电特性及所测目标体大小。一般使用400MHz频率以上天线，点距取1cm--20cm，可保证探测精度要求。
②时窗选择主要取决于最大探测深度与介质中电磁波速度，在隧道质量检测中，介质主要是混凝土和岩石，若取电磁波速度0.1m/ns，要求探测深度1.5m内，时窗可取35ns（包含采集背景噪音所需时间）。
③采样间隔选择直接影响波形采集质量。对规模较小空洞异常，采样间隔选取太大时，波形将会发生削波现象，甚至严重畸变；而采样间隔太小，数据采集效率将会降低，一般情况下，天线频率越高，采样间隔选取越小。在隧道检测中若使用400MHz的天线，采样间隔一般选取0.2ns。
④叠加次数也会影响波形采集的质量和数据采集效率。在隧道检测中探地雷达受外界电磁干扰较小，若采用点测方式，叠加次数常选4次或8次即可。
2.3主要技术参数
在探地雷达检测技术中，最主要的技术参数是分辨率，即探地雷达分辨最小异常介质的能力，有垂直分辨率和水平分辨率两种。
垂直分辨率是垂直方向上可划分的最薄层次，理论上可把雷达天线主频波长1/8作垂直分辨率的极限，但因外界干扰等因素，一般把波长1/4作其下限。表2为探地雷达不同天线垂直分辩率经验值（假设在混凝土中V=0.1m/ns情况下）。
表1不同频率天线垂直分辩率
频率 (MHz)1002004009001200
子波长度(m)1.00.50.250.110.08
分辨率(m)0.2730.150.0670.030.025
水平分辨率是雷达天线在地面上拖过，可分辨地下最小目标横向尺寸。这与天线波束覆盖面积（A）有关，覆盖面积又跟目标埋藏深度有关，就像手电筒光束聚焦范围随远近变化一样。天线波束覆盖面积可由下式计算：
其中A为天线波束覆盖区， 为雷达天线中心波长，D为地表到反射面深度，K为反射面以上介质平均介电常数。
假如目标体在混凝土（K=8）中的埋藏深度为28cm，用400MHz的天线波长 =25cm，其天线波束覆盖面积半径：
假设目标占据该光斑1/4左右可分辨，则雷达在混凝土深度0.3m处横向分辨率约3.8cm左右。
此外，探测深度也是探地雷达重要的一个技术参数。在仪器性能和地下介质一定情况下，探测深度主要取决于工作频率选择及地层衰减系数。一般天线频率越高，探测深度越浅，分辨率越高；相反，天线频率越低，则探测深度越深，而分辨率降低。故探地雷达在技术上存在探测深度与分辨率取舍或优选问题。
3对数据采集要求
在公路隧道检测中当采集的天线、参数选择好后，开始进行数据采集。数据采集需注意几点：
①天线中心要与测线起点重合，测线起点桩号需有明显标记，与实际桩号误差不应大于测线长度的0.1%。
②使用测量轮进行计点测量时，一条完整的剖面长度不宜大于1km, 并及时做桩号校正，令其误差不大于0.5%。
③采集中需时刻观察所采集的数据，若发现波形失真、零点同相轴错断等异常，要停止工作，查明原因，重新调零、重新采集。
④采集中需雷达天线与隧道衬砌层表面接触，以免人为产生假异常。
⑤随时进行外业记录，记明工区、时间、剖面号、测线起点和终点桩号等。
4工程实例分析
4.1测线布置
为较全面了解隧道各位置施工质量,在隧道拱顶、左右拱脚及左右边墙共布置了5条测线。
图2 现场检测过程图
4.2初期支护质量检测
隧道初期支护检测包括初期支护厚度、钢拱架数量、支护背后空洞及回填情况。广陕高速公路隧道跨度较大，大部分隧道围岩基本以Ⅳ、Ⅴ围岩为主, 施工中易造成超挖，对超挖部分须进行回填处理，如处理不当，将为隧道埋下严重隐患。通过地质雷达进行扫描，可在二次衬砌前及时发现存在的缺陷，尽早进行补救, 避免埋下隐患。
图3 初期支护回填不实作业现场
图4 回填欠实处理前后雷达检测对比图象
图4中可清晰看到衬砌结构层内有明显电磁波反射异常区，强反射界面反映出异常边界形态，异常区内呈雪花状电磁波漫反射，反映出其中充填有不规则欠实填充物，经破孔验证为充填黄土。下图是该处异常区经压注水泥浆处理后雷达复测结果图，原回填欠实区已发生变化，其视频率与砼衬砌背景频率接近，同相轴连续，表明原来松散黄土经水泥压浆后已形成相对密实结合体，而异常区形态的存在反映出其黄土、砂石、水泥结合体与砼结构物性差异，经再次破孔亦验证了该处缺陷区已基本被固结密实 。
4.3二次衬砌质量检测
隧道二次衬砌检测主要包括二次衬砌厚度、二次衬砌背后有无空洞与不密实、二次衬砌中钢筋有无缺失等。实际探测时，如初期支护与二次衬砌接触良好，其分界面有时并不是很清晰，主要原因是两者都是混凝土介电常数相差甚少，在接触良好部位不存在反射界面所致。在实际分析中我们可借助初期支护中钢拱架来确定两者间分界面，找到钢拱架位置也就找到了其分界面。如
图5 利用钢拱架判定分界面图像
图5通过借助于钢拱架位置来判断二次衬砌与初期支护分界面，由此发现该处二衬厚度不足。在隧道拱顶等部位，因工艺特点及其他因素影响，易造成二次衬砌与初期支护间脱空。采用模筑泵送混凝土施工二次衬砌，在拱顶施工接缝处易形成三角形空洞（图6）。
5结束语
探地雷达作为一种新的高分辨率、高效率无损高新检测技术，正在工程建设中发挥越来越重要的作用，具有安全、方便、快捷等特性，有很大发展潜力。从国外引进雷达后，目前在国内公路隧道质量检测中已得到推广应用。此外，探地雷达在隧道质量检测中，需有一定技术要求，只有掌握了解这些要求、技能，才能更大地发挥雷达长处，更好地解决实际问题。
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论文作者:张庆
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/28
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