地質(zhì)雷達(dá)在武廣高速鐵路坪石隧道襯砌質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用

王艷麗，劉興華

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，廣東 韶關(guān)512028）

地質(zhì)雷達(dá)在武廣高速鐵路坪石隧道襯砌質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用

王艷麗，劉興華

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，廣東 韶關(guān)512028）

隧道混凝土襯砌是重要的支護(hù)措施，襯砌質(zhì)量的好壞對隧道的長期穩(wěn)定、使用功能的正常發(fā)揮以及外觀美均有很大影響，因此對混凝土襯砌質(zhì)量的檢測工作也顯得尤為重要。本文重點(diǎn)探討了地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用。

地質(zhì)雷達(dá)；隧道；襯砌；數(shù)據(jù)處理

1 引言

自20世紀(jì)50年代以來，我國隧道修建數(shù)量大幅度增加。1950～1984年期間共建成標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路隧道4247座，總延長2014.5公里，成為世界上鐵路隧道最多的國家之一。而襯砌作為隧道的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，其作用至關(guān)重要。在隧道施工中，隧道混凝土襯砌常出現(xiàn)許多質(zhì)量問題：襯砌厚度不足或內(nèi)部存在切線、背后存在空洞、混凝土開裂、混凝土強(qiáng)度不夠等。針對常見的質(zhì)量問題，按照檢測方法的不同可分為：襯砌厚度、內(nèi)部切線及背后空洞的雷達(dá)檢測；襯砌混凝土強(qiáng)度、混凝土缺陷（裂紋等）的無損檢測。

襯砌混凝土厚度及背后空洞的檢測方法一般有直接鉆孔法和無損檢測方法。直接鉆孔法除了有不能以點(diǎn)代面的局限性外，還由于鉆孔會穿透防水板造成隧道地下水的滲漏，因此很少使用。目前國內(nèi)外無損檢測采用較多的方法主要有兩種：地質(zhì)雷達(dá)法和聲波法（沖擊回波法、反射波法）。地質(zhì)雷達(dá)檢測法因其可連續(xù)測線和較高的精度而被普遍采用。本文著重介紹地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌混凝土質(zhì)量方面的檢測。

2 地質(zhì)雷達(dá)法基本原理和檢測方法

地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)相似，利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面，被另一天線接收。脈沖波旅行時間為t。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時，可根據(jù)測到的準(zhǔn)確T值計(jì)算反射體的深度。雷達(dá)系統(tǒng)的基本部分如圖1。

圖1

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面，不同的地質(zhì)體（物體）具有不同的電性。因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波。

地質(zhì)雷達(dá)在勘查中的基本參數(shù)描述如下：

電磁脈沖波旅行時

式中：z—勘查目標(biāo)體的深度；x—發(fā)射、接收天線的距離（式中因z＞x，故X可忽略）；v—電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

圖2

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：c—電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m／ns）；εr—介質(zhì)的相對介電常數(shù)，μr—介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般μr≈1）。

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

式中：r— 界面電磁波反射系數(shù)；ε1—第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2—第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)記錄時間和勘查深度的關(guān)系：

式中：z—勘查目標(biāo)體的深度；t—雷達(dá)記錄時間。

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

雷達(dá)天線沿所測測線連續(xù)滑動，所測的每個測點(diǎn)的時間曲線可以匯成時間剖面圖像。從一個測點(diǎn)的反射時間上去判別哪一個波反映什么是很困難的，但是多個測點(diǎn)資料匯成的時間剖面、各測點(diǎn)接收到的同一反射面的反射波匯成一定圖像，就能直觀地反映出各種不同的反射面。根據(jù)這些圖像即可辨別不同的物體，時間剖面圖像是地質(zhì)雷達(dá)成果的基本圖件。

數(shù)據(jù)處理應(yīng)注意一下幾個問題：

（1）原始數(shù)據(jù)處理前應(yīng)回放檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄應(yīng)完整、信號清晰，里程標(biāo)記準(zhǔn)確。不合格的原始數(shù)據(jù)不得進(jìn)行處理與解釋；

（2）數(shù)據(jù)處理與解釋采用流程如圖3所示；

（3）數(shù)據(jù)處理應(yīng)確保位置標(biāo)記準(zhǔn)確、無誤。

另附表1：不同頻率天線的穿透深度。

圖3 數(shù)據(jù)處理與解釋流程圖

表1 不同頻率天線的穿透深度

4 應(yīng)用實(shí)力

4.1 工程介紹

2007年3月22～23日對坪土隧道進(jìn)口DK1904＋723～990區(qū)段的隧道襯砌（一襯），進(jìn)行無損勘探。使用地質(zhì)雷達(dá)方法，對隧道工程襯砌質(zhì)量進(jìn)行無損勘探。共布置兩條測線，采用的天線頻率為500MHz。由于現(xiàn)場條件限制每條測線分2次完成，故收集4條測線的數(shù)據(jù)。測線所在里程樁號為DK1904＋723～990，地質(zhì)雷達(dá)測線布置示意圖如圖4所示。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)測線布置示意圖

4.2 資料處理與解釋

本文挑選兩條測線的圖像進(jìn)行解釋說明。

（1）測線1襯砌后缺陷雷達(dá)勘探（圖5～8）

從以上測線1的四幅雷達(dá)圖可以清晰分辨出一襯砌與圍巖的界面。襯砌的厚度約為50cm（以雷達(dá)波速為0.1m／ns計(jì)算）。襯砌內(nèi)部雷達(dá)反射波同軸連續(xù)性相當(dāng)完整，雷達(dá)反射強(qiáng)度在無臺車和鋼拱干擾的情況下基本不變。根據(jù)對比分析，在DK1904＋955.5和DK1904＋963.5位置處鋼拱后存在少量脫空現(xiàn)象。

圖5 測線1雷達(dá)勘探成果圖

圖6 測線1雷達(dá)勘探成果圖

圖7 測線1雷達(dá)勘探成果圖

圖8 測線1雷達(dá)勘探成果圖

（2）測線2襯砌后缺陷雷達(dá)勘探（圖9～12）。

從測線2雷達(dá)圖可以清晰分辨出一襯與圍巖的接觸面。通過對比分析可知，DK1904＋833處存在超挖現(xiàn)象；DK1904＋918處、DK1904＋929處、DK1904＋918處、DK1904＋958處存在噴漿疏松現(xiàn)象；DK1904＋982處存在噴漿疏松和少量脫空現(xiàn)象。

圖9 測線2雷達(dá)勘探成果圖

圖10 測線2雷達(dá)勘探成果圖

圖11 測線2雷達(dá)勘探成果圖

圖12 測線2雷達(dá)勘探成果圖

5 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)具有其他傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而在隧道工程襯砌質(zhì)量檢測中得到了廣泛應(yīng)用。但地質(zhì)雷達(dá)對場地的要求比較苛刻，場地的好壞直接影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的高低。有了好的數(shù)據(jù)我們再通過數(shù)據(jù)處理解釋、圖像識別，進(jìn)而得出推斷。這樣才能為隧道襯砌質(zhì)量檢測提供良好的依據(jù)。

［1］ 賈志清，張頂立 .隧道病害地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果自動處理［J］.隧道建設(shè) .2005.25（1）.

［2］ 郭有勁 .地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報.2002（2）.

［3］ 王正成，譚巨剛，孔祥春等 .地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑 .2005（2）.

［4］ 雪冰.孔祥春隧道襯砌質(zhì)量檢測.2005年地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)及其在工程檢測中的應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會.

［5］ 楊天春，呂紹林，王齊仁 .探地雷達(dá)檢測道路厚度結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.物探與化探.2003（2）.

P631.41

A

1009－282X（2012）02－0032－04

2012－03－07

王艷麗（1987－），女（漢族），河北保定人，現(xiàn)系廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院物探隊(duì)技術(shù)人員，從事物探行業(yè)兩年，助理工程師，Tel：13826379911，E－mai：26978321＠qq.com；劉興華（1985－），男（漢族），江西吉安人，現(xiàn)系廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院物探隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)，從事物探行業(yè)4年，助理工程師，Tel：13922597009，E－mail：524043105＠qq.com。