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摘要：隧道因其特有的结构和功能要求，往往施工难度大，容易出现初期支护背后脱空，二次衬砌混凝土厚度不足等问题，给施工和运营造成相当大的危害。为了避免类似问题的发生，就必须在施工过程中及时发现质量隐患并及时清除，通过地质雷达方法检测可以解决上述问题。它以其高分辨率和高准确率，快速、连续、高效的无损检测方法很快得到人们的认可，经过长期实践和不断发展被广泛应用于隧道衬砌质量检测中。本文主要介绍地质雷达工作的基本原理与工作方法，并结合工作实例探讨了地质雷达在隧道检测应用时的技术要点。
关键词：地质雷达；公路隧道；质量检测；应用
1导言
随着科技的高速发展，越来越多的仪器设备被应用到工程探测和工程检测中。地质雷达无损探测在隧道工程中的应用越来越普遍。地质雷达方法可以采用不同中心频率的天线进行快速的无损探测。目前地质雷达在公路隧道工程中的应用主要有：隧道超前地质预报、隧道衬砌质量检测等。
2地质雷达的工作基本原理
地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的脉冲电磁波发射到地下介质中，通过接受反射信号达到探测地下目标的目的，雷达系统向被探测物发射电磁波脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时，分析确定探测目标的形态及结构特性。结合工程设计资料判定隧道衬砌施工质量情况，或结合工程地质资料为隧道施工提供可靠的施工技术方案。见图1。
3地质雷达数据采集及数据处理分析
3.1数据采集浅析
在某试验工程进行的过程中，我们按照隧道相关的质量检测规范以及标准，沿隧道纵向分别在隧道左右边墙、左右拱腰及拱顶部位进行5条测线布置，在采集数据过程中使用高空作业车检测平台将地质雷达天线及辅助人员送至相应位置，使天线紧贴衬砌表面，高空作业车以5km/h的速度匀速前进。
检测过程中应对衬砌混凝土的相对介电常数做现场率定，且每座隧道应不少于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数。对于特长隧道，适当增加率定点数。率定方法采用钻孔实测或在洞口等已知厚度的部位进行，根据界面的反射信号，通过公式：
εr=（0.3t/2d）2（1）
式中：d—衬砌厚度（m）
t—双程旅时（ns）
εr—相对介电常数
另外，现场检测时应对测量产生影响的物体（如预埋的穿线孔、风机预埋件、变形缝等）进行记录，以便准确的区分干扰异常。
3.2数据解析与处理
实测资料的处理主要采用指定的专用配套软件进行分析。在处理软件中，主要采用数字滤波器、褶积、偏移等方法对野外采集结果进行预处理，然后根据现场岩性的具体情况（特别是岩石的含水情况），选择合理的相对介电常数。
地质雷达资料处理处理包含测量坐标编辑、滤波、增益调整等处理，消除背景干扰，确定围岩电磁波速，进行时/深转换，然后进行地质解释。结合地质情况、电性特征、探测体的性质和几何特征综合分析。必要时应考虑影响介电常数的各种因素，制作雷达探测的正演和反演模型。在数据处理及解译过程中，必须结合TSP中期超前地质预报资料，必要时可以进行超前水平钻探法，或配合围岩及岩石的波速测试进行综合预报。
3.3隧道衬砌质量、内部缺陷检测及评定
隧道现场施工过程中，主要有过程质量控制和二衬成型检测，过程控制中，主要检测隧道初期支护完成后，初期支护厚度、钢拱架间距、初期支护背后脱空等；二衬施工完成后，主要检测二衬厚度、钢筋间距、二衬背后脱空等情况。
隧道混凝土厚度是根据电磁脉冲在各结构层见面反射时间和各结构层中电磁波的传播速度计算得到的。厚度检测的关键是确定电磁波在隧道各结构层中传播时间。然后根据电磁波在混凝土中的传播速度计算出结构层的厚度。由于初支、二衬和围岩之间的物理性质区别明显，介电常数差别很大，反射波形振幅很大，反射界面清晰可见，有助于判断衬砌的厚度。采用地质雷达进行扫描，采用连续测量法，一般用400MHz或900MHz天线进行探测。根据接收到的信号波的旅行时间（亦即双程走时）、幅度、频率与波形变化情况资料，可以推断介质的内部结构以及目标的深度和形状等。
参照《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10223-2004）及工程实体取芯结果或者预制试件与雷达探测结果相比对来判断衬砌质量。衬砌厚度由下式确定：
式中：d—衬砌厚度（cm）。t—双程旅时（ns）。εr—相对介电常数。
内部缺陷如空洞、脱空等对隧道的质量具有较大影响，是一种常见的隧道病害。由于脱空区充满空气，局部富水段充水，且空气和水相对衬砌、围岩的介电常数差异明显，反射波相位发生变化，因此脱空区断续蜿蜒，位置清晰，容易辨认。衬砌质量、衬砌内部钢筋及回填密实度的主要判定特征为：
（1）密实：反射信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号。
（2）不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散。
（3）空洞（脱空）：衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。
（4）钢筋：连续的小双曲线强反射信号。
4、隧道衬砌地质雷达检测时应注意的问题
地质雷达在隧道衬砌检测中已经得到了广泛的应用，但仍存在不少问题，如：
（1）由于现场数据采集的条件原因起的里程记录上的误差和对检测结果的误判；
（2）隧道内的照明电缆、机械等对雷达波产生很大干扰，影响后期数据处理过程中对信号的解释。为此，现场检测时应确保天线与衬砌表面密贴。并尽最保证移动速度均匀，对表面不平整段落可采用时间触发进行探测，现场应随时记录可能对雷达波产生干扰的物体及其位置。
（3）雷达检测二衬厚度的精度与所取介质的介电常数息息相关。因此，通过查表选取介电常数履然是不可取的，必须在检测前对衬砌混凝土的介电常数作现场标定。
5 应用实例
5.1 地质雷达在衬砌中的脱空检测
脱空一般是指两层介质间存在的空隙（通常可认为存在的空气层）。
图4脱空地质雷达探测图
图4 显示该隧道在里程为ZK147+750～ZK147+754.5拱顶处实测波形出现了明显的波形相位及幅值变化，呈强负相反射信号，判定该处为脱空；从波形上分析脱空处的混凝土厚度最薄厚度约为14cm，最厚处约为24cm。后在该处钻孔两处，一处衬砌10cm，空洞25cm防水板后空，另一处衬砌13cm后遇防水板，防水板后空32cm，全部破除后可见后面存在面积约有9㎡空洞。
5.2 地质雷达在衬砌中的钢筋、钢架检测
当衬砌中存在钢筋时，会出现连续的小双曲线形强反射信号（如图5所示）；当衬砌中存在钢架时，会出现分散的月牙形强反射信号（如图6所示）。
图6 衬砌中存在钢架地质雷达实测图
通过地质雷达在铁路隧道检测的应用，有以下体会：
（1）地质雷达无损检测在铁路隧道检测中是一项应用广、技术成熟、较有效、快速的无损检测方法。
（2）根据检测的目标的选择合适的频率的天线跟介电常数的标定至关重要。合适的频率天线能够采集到较为理想的原始数据，正确的介电常数能够在隧道的厚度判定中减少误差。
（3）地质雷达检测能够发现隧道衬砌中的各种缺陷（如：不密实、空洞、厚度不足、钢筋缺失、钢架间距过大等），在施工过程中检测还能为后续的施工提供借鉴，避免相同的质量问题发生。
（4）地质雷达虽是一项较为理想的隧道无损检测技术，且对隧道的缺陷状况探测良好，但其准确率不可能达百分百，需排除各种干扰因素，同时对雷达图像异常情况的解析与判定，需要积累大量的实际经验。
参考文献
[1]TB10223—2004铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京：中国铁道出版社，2004
论文作者:丘江河
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/9
标签：隧道论文; 地质论文; 常数论文; 厚度论文; 反射论文; 信号论文; 电磁波论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;