地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道無損檢測中的應(yīng)用

汪 洋

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

1 概述

在公路隧道施工過程中，難免會(huì)出現(xiàn)一些質(zhì)量缺陷，如初期支護(hù)與二次襯砌欠厚、初期支護(hù)與圍巖之間存在空洞或雜物充填、初期支護(hù)與二次襯砌間脫開、鋼筋及鋼支撐間距偏大等，這些質(zhì)量問題無疑會(huì)影響隧道的服務(wù)質(zhì)量與水平。為全面系統(tǒng)的保證隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施作質(zhì)量，開展隧道無損檢測工作是非常必要的，目前對于初期支護(hù)與二次襯砌厚度、襯砌背后空洞、鋼筋分布等檢測主要采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)［1］。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測工作原理

檢測所用地質(zhì)雷達(dá)是使用特高頻段的地下電磁波探測技術(shù)，其工作原理是:雷達(dá)主機(jī)通過發(fā)射天線從檢測目標(biāo)體表面向內(nèi)發(fā)射特高頻段電磁波，當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到電性差異界面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)由接收天線所接收，通過提取接收時(shí)間、接收反射信號(hào)特征可判別反射目標(biāo)體的性質(zhì)，如二次襯砌內(nèi)的欠密實(shí)區(qū)、二次襯砌與初期支護(hù)間的脫空區(qū)、初期支護(hù)與圍巖間的空洞區(qū)、襯砌內(nèi)的鋼筋分布情況等［2，3］。

3 地質(zhì)雷達(dá)檢測方法

3.1 儀器選擇

1)雷達(dá)主機(jī)選擇:可選用的雷達(dá)有多種，國外的有美國的SIR型、意大利的RIS型、加拿大的EKKO型、瑞典的RAMAC型，國產(chǎn)的有LTD型等。其中美國產(chǎn)的SIR-20型探地雷達(dá)，最高掃描速率可達(dá)每秒800次，基本代表了新一代探地雷達(dá)的發(fā)展趨勢。

2)雷達(dá)天線選擇:根據(jù)探測目標(biāo)的深度和大小，選擇不同頻率的天線。天線頻率越高，探測深度越淺，分辨率越高;天線頻率越低，探測深度越深，分辨率越低。對于初期支護(hù)表面進(jìn)行的檢測，通常選用400 MHz～900 MHz頻率天線;對于二次襯砌表面進(jìn)行的檢測，通常選用 200 MHz～400 MHz頻率天線［4，5］。

3.2 測線布置

公路隧道檢測要求沿隧道縱向布置測線，測線位置應(yīng)結(jié)合實(shí)際要求進(jìn)行布置，如無特殊要求，一般按圖1布置5條測線。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測線布置圖

3.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時(shí)基本工作參數(shù)未設(shè)置準(zhǔn)確，則圖像的質(zhì)量和所能達(dá)到的探測效果在數(shù)據(jù)后處理階段往往難以彌補(bǔ)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集階段需設(shè)置以下主要參數(shù):

1)根據(jù)所要求的探測深度和探測介質(zhì)速度估算時(shí)窗長度(ns)。2)設(shè)置工作方式:連續(xù)掃描探測、單點(diǎn)探測、共中心點(diǎn)探測、透視探測，一般應(yīng)選用連續(xù)方式。3)設(shè)置濾波器:通常有兩種方式，即自動(dòng)和手動(dòng)方式，一般可選用自動(dòng)方式。當(dāng)選用手動(dòng)方式時(shí)分為高通和低通，高通截止頻率設(shè)置為中心工作頻率的 1/4，如400 MHz天線的高通設(shè)置為100 MHz，低通設(shè)置為中心頻率的兩倍，即800 MHz。當(dāng)圖像不夠理想時(shí)，如仍有噪聲或干擾信號(hào)時(shí)應(yīng)將濾波器通過的信號(hào)帶寬變窄，即低通變低或高通變高，若濾波太強(qiáng)，有用信號(hào)被濾掉或波形明顯失真則高通和低通應(yīng)向相反的方向調(diào)試，使通過的有用信號(hào)帶寬變寬。4)增益調(diào)試:可分為自動(dòng)和手動(dòng)，一般可選手動(dòng)。5)直達(dá)波及反射波位置的尋找和調(diào)試:直達(dá)波應(yīng)調(diào)試在視域范圍的頂部，若位置調(diào)整不當(dāng)則可能看不到完整的回波圖。

4 數(shù)據(jù)處理與解釋［6］

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理和濾波分析。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)文件添加標(biāo)題、標(biāo)志，核對標(biāo)記、樁號(hào)信息并校正等;濾波分析包括背景去噪和信號(hào)濾波，其目的是在雷達(dá)圖上壓制隨機(jī)干擾信號(hào)而突出有用的異常信息來幫助解釋。當(dāng)工作量較大且采集運(yùn)行速度比較均勻時(shí)可分段裁切后進(jìn)行追蹤反射層處理，以提高效率。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋是整個(gè)檢測工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其方法和準(zhǔn)則是根據(jù)反射波信息特征，參考檢測目標(biāo)體的設(shè)計(jì)及相關(guān)資料，結(jié)合解釋人員經(jīng)驗(yàn)綜合分析而判定反射目標(biāo)體的性質(zhì)。必要時(shí)可進(jìn)行鉆孔取芯試驗(yàn)與解釋結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，以積累經(jīng)驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)解釋精度。

5 典型雷達(dá)圖像分析

5.1 襯砌厚度判別

地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果判別都是基于檢測目標(biāo)體的電性差異。因此電磁波在沿隧道徑向的傳播過程中，根據(jù)二次襯砌、初期支護(hù)以及圍巖的電性差異而產(chǎn)生的反射信號(hào)形成的反射界面，可以作為判別襯砌層厚的依據(jù)［7］，見圖2，圖3。

5.2 混凝土脫空及不密實(shí)判別

當(dāng)襯砌混凝土背后存在脫空時(shí)，由于襯砌、圍巖及空氣的電性差異，電磁波會(huì)在脫空區(qū)的上下界面產(chǎn)生明顯的反射信號(hào)，形成連續(xù)的增強(qiáng)能量的反射同相軸，見圖4，圖5。根據(jù)電磁波在脫空區(qū)的傳播時(shí)間，可初步估計(jì)脫空的深度［8］。

圖2 隧道噴射混凝土厚度檢測（單位：m）

圖3 隧道二次襯砌混凝土厚度檢測（單位：m）

圖4 隧道噴射砌混凝土背后空洞檢測（單位：m）

圖5 隧道二次襯砌與初期支護(hù)間脫空檢測（單位：m）

當(dāng)襯砌混凝土不密實(shí)或其背后回填不密實(shí)時(shí)，電磁波會(huì)在不密實(shí)區(qū)產(chǎn)生多個(gè)反射信號(hào)，形成雜亂、錯(cuò)斷的反射同相軸，見圖6，圖7。

圖6 隧道噴射砌混凝土背后回填不密實(shí)檢測（單位：m）

5.3 鋼筋和鋼支撐識(shí)別

公路隧道中所埋深的鋼筋和鋼支撐，均可視為單個(gè)“孤體”，會(huì)對電磁波產(chǎn)生連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射型號(hào)，在雷達(dá)圖上以“拋物線”形態(tài)顯示出來(見圖8，圖9)。通過對“拋物線”形態(tài)波的識(shí)別，再參考設(shè)計(jì)及相關(guān)資料，就可以得出襯砌中鋼筋和鋼支撐分布情況。

圖7 隧道二次襯砌混凝土不密實(shí)檢測（單位：m）

圖8 隧道鋼支撐檢測（單位：m）

圖9 隧道二次襯砌內(nèi)鋼筋檢測（單位：m）

6 結(jié)語

在公路隧道施工過程中，采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)，可高效檢測出隧道初期支護(hù)與二次襯砌欠厚、襯砌背后空洞、鋼筋及鋼支撐間距偏大等質(zhì)量問題，通過及時(shí)檢測、及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，達(dá)到事前控制的目的，減小或杜絕不必要的安全隱患，提高施工質(zhì)量，確保隧道的營運(yùn)安全。

［1］ JTG F80/1-2004，公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ 李大心.探地雷達(dá)方法及應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［3］ 馮慧民.地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004(4):67-72.

［4］ 陳培德.地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.中外公路，2010(4):182-185.

［5］ 張雪峰.地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的應(yīng)用［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009(23):36-38.

［6］ 李 鉑，王燦為.地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的常見技術(shù)問題［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(sup):451-453.

［7］ 李二兵，譚躍虎，段建立.地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程檢測中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(2):268-270.

［8］ 鄒正明，王曉形，顏炳杰.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2008(4):147-149.