摘要：本文介绍了应用探地雷达检测隧道衬砌质量的基本原理，结合广西某隧道的工程实例，讲述了探地雷达利用高频电磁脉冲探测隧道二次衬砌的空洞、不密实等缺陷的情况。
关键词：探地雷达；隧道；二次衬砌
1 引言
隧道施工过程中，二次衬砌的质量好坏决定隧道在竣工后的运营状态。在二次衬砌的质量控制过程中，极易出现二衬脱空或不密实及二衬厚度不足等情况。探地雷达是一种高效率、低成本、高分辨率的地球物理方法。利用探地雷达无损检测技术可快速有效地检测出隧道二次衬砌中存在的缺陷，极大提高了隧道工程的质量。
2 探地雷达工作原理及方法
探地雷达利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体，它通过发射天线向地下或目标体发射高频带短脉冲电磁波，经过地下地层或目标体反射后返回地面，被接收天线所接收。因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形等资料，可探测地下介质或目标体的结构、构造及目标体的埋藏深度等。
探地雷达接收到的信号通过模数转换处理后送到计算机，经过滤波、增益恢复一系列数据处理后形成探地雷达探测图像。探地雷达图像是资料解释的基本图件，只要目标体与周边介质中存在电性差异，就可以在探地雷达图像剖面中反映出来，通过同相轴追踪可以测定目标体的反射波旅行时T。根据地下介质的电磁波速度V和反射波旅行时T，由式（2-1）可计算目标层的深度h：
（2-1）
其中：h为目的层的深度；x为发射天线与接收天线间的距离；V为介质中的电磁波速度。
探地雷达的工作前提是探测对象与周围介质间存在着明显的电性差异，雷达波在介质中的传播速度V与介质的电磁性参数有（2-2）式近似关系：
（2-2）
其中：V为介质中的电磁波速度；
为真空中的光速（m/ns）；
为介质的相对介电常数；
为介质的导磁率。
雷达波反射脉冲信号的强度与界面的反射系数和穿透介质的吸收程度有关。垂直界面入射的反射系数R的模值与幅角，分别由（2-3）和（2-4）关系式表示：
（2-3）
（2-4）
其中 
为介质的导磁系数；
为介质的相对介电常数；
为介质的电导率；下标1和2分别表示为入射介质和透射介质。
由关系式可以看出，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率
有关。当介质的电磁参数差别大时，反射系数也大，因而反射波的能量也大，对于倾斜入射情况，反射系数还与入射角有关。介质的含水量一般也会对
和
值有所影响，含水量越大，
和
值越变大，反射系数也相应有所变化。在不同的介质中，电磁波的吸收程度也有所差异，介质的吸收系数β有（2-5）式关系：
（2-5）
当介质的电导率很低时，有
电磁波的吸收随
的增大而增大，随
的增大而减小；当介质的电导率很高时，吸收系数
与
、
有关，而与
几乎无关。
在现场探测中，要充分考虑探地雷达的分辨率问题，所谓探地雷达的分辨率是指雷达对多个目的体的区分或小目的体的识别能力，它一般取决于脉冲的宽度，即与脉冲频率的设计有关，频带越宽，时域脉冲越窄。它在射线方向上的时域空间分辨能力（纵向分辨率）就越强，用（2-6）式表示其关系：
（2-6）
其中：
为分辨界面有效波形之间的时间间隔；
为有效频带宽度。
探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称为横向分辨率，它在很大程度上取决于介质的吸收特征。介质吸收越强，目标体中心部位与边缘部位的反射能量相对差别也越大，横向分辨能力也就相对较强。吸收系数β和探测深度h均较大时，有（2-7）式关系：
（2-7）
其中：
为目的体横向分辨率。
横向分辨率还与地下不同方向上脉冲波能量的分布以及波的散射有关。不同的天线设备、探测目的体的电性参数以及被探测目的体的深度对横向分辨率都会产生影响。
3 工程实例
3.1广西某隧道工程地质及不良地质
3.1.1 地层岩性
该隧道场地表层为第四系全新统残坡积（Q4el+dl）粉质粘土，下伏基岩为泥盆系中统（D2）砂岩夹泥质页岩等，按风化强度可分为全、强、弱风化三层。
（1）第四系全新统残坡积（Q4el+dl）
粉质黏土：褐黄色，硬塑，层厚约1～3m，为Ⅱ级普通土。
（2）泥盆系中统（D2）
砂岩夹泥质页岩：全风化～弱风化（W4～W2），褐黄色，全风化（W4）原岩矿物已风化成土状，为Ⅲ级硬土；强风化层（W3）钻探岩芯多呈碎块状，少量短柱状，节理及风化裂隙发育，为Ⅳ级软石全、强风化层厚度10～40m不等；下为弱风化（W2），为Ⅳ级软石。
3.1.2 地质构造
该隧道局部地段围岩节理裂隙发育，据物探资料推测，DK212+600～DK212+842段基岩弹性波速度为2000～2800m/s，为节理裂隙密发育。
3.1.3 水文地质特征
该隧道主要穿越泥盆系砂岩夹泥质页岩底层，受风化作用影响，节理裂隙较发育。地下水主要为风化裂隙水和基岩裂隙水。预测隧道正常涌水量为343.75m³/d，最大涌水量515.63m³/d，单位长度最大涌水量为0.42m³∕d.m，属弱富水区。
3.1.4 不良地质及特殊岩土
（1）不良地质
隧道场地覆残坡积粉质粘土，下伏砂岩夹泥质页岩全～弱风化层。
（2）根据钻探揭露及野外测绘，场地内未发现特殊岩土。
（3）隧道出口右侧边坡顺层，岩层产状95°∠25.5°，视倾角∠15.3。
3.2 雷达天线的选择
由于隧道内的检测环境较为复杂，因此，隧道衬砌检测通常采用屏蔽天线，但能量衰减快，探测深度相对较浅；而频率低的天线发射电磁波主频低，精度和分辨率相对较低，能量衰减较慢，但是探测的深度较深。因此，隧道选用天线时，根据隧道混凝土厚度及检测的要求选择天线的频率，检测采用设备为LTD-2100探地雷达，使用900MHz屏蔽天线进行检测。
3.3 测线布置
结合隧道实际情况，定制如下检测方案：
对隧道拱顶、两侧拱腰及两条边墙5条测线进行扫描，主要检测主拱钢筋网、二衬背后脱空及不密实情况，测线布置如图3-1。
图3-1 探地雷达检测测线布置示意图
3.4隧道二次衬砌检测结果
在对隧道的二次衬砌脱空、不密实的雷达检测过程中发现：隧道二次衬砌的总体质量较好，但是也存在一些质量问题，隧道中有多处脱空及不密实的缺陷存在。
3.4.1脱空区检测结果分析
图3-2为隧道二次衬砌背后的三角脱空的雷达图像，此缺陷位置均位于拱顶处，图像的主要特征表现为正三角形或带状的反射弧，造成此现象的原因是由于喷射混凝土表面平整度超标凹凸不平的现象较为普遍，防水板铺挂时富余量过大，与喷射混凝土面不够密贴，在浇筑混凝土时防水板挤压发生褶皱，造成二次衬砌与初期支护之间存在缝隙或空洞。
图3-2 DK212+051~DK212+052
3.4.2不密实检测结果分析
图3-6为隧道二衬中的混凝土不密实雷达检测图像。此缺陷发生在二次衬砌内部，探地雷达图像表象特征主要是衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较为分散。缺陷产生的原因主要是在隧道二次衬砌施工过程中，捣鼓不到位，在重力作用下，混凝土发生离析。
图3-6 DK212+385-DK212+387
4 结语
探地雷达技术因其具有高效率、高精度、低成本的优点在隧道衬砌质量的检测中得到了广泛应用。采用探地雷达对隧道二次衬砌进行质量检测，可以为施工方采取有效改善措施、消除安全隐患提供科学准确的依据。同时，可以监督施工单位对隧道二次衬砌质量的控制，对隧道的安全使用和正常运营起到了重要作用。随着探地雷达检测技术的不断完善和发展，探地雷达检测技术已逐渐成为隧道施工质量安全保证的必要环节。
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论文作者:钟于良
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/19
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