提高地質雷達隧道襯砌質量檢測效果的幾點措施

張家鳴

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽 4 71009)

0 引言

隨著我國經濟的高速發(fā)展，新建的鐵路、公路隧道在逐年增加，同時，運營中的隧道暴露出來的病害也越來越多。襯砌作為隧道的主要受力結構，對隧道的安全運營起著重要的作用。傳統(tǒng)的檢測方法主要采用開孔或開槽取樣檢測，存在效率低、代表性差、偶然性大等缺點，而地質雷達作為一種先進的檢測技術，具有快速、高效、無損、連續(xù)、分辨率高等優(yōu)點，目前已成為隧道施工質量檢查和運行期間隧道病害檢測的重要手段［1-2］。

時元鴻［3］以襄渝線安康至重慶段增建第二線第V標段為例，介紹了地質雷達電磁波反射檢測隧道襯砌質量缺陷的測試過程及結果統(tǒng)計分析;路剛［4］通過地質雷達分別對二次襯砌厚度、鋼筋鋼拱架分布和混凝土不密實的判別方法進行了研究;宋明藝等［5］在簡述地質雷達基本原理及工作方法的基礎上，討論了地質雷達的信號識別在鐵路、公路隧道檢測中的可行性及準確性，并對地質雷達的實測資料進行了處理及分析;康富中等［6］通過地質雷達在昆侖山隧道中的檢測應用，得出:隧道在高寒惡劣環(huán)境中，襯砌總體外觀質量不佳，在兩端洞口段有滲水疏松掉塊的現象;襯砌背后空洞缺陷現象較嚴重，溫度和凍脹因素使處于高寒惡劣環(huán)境中的隧道更容易發(fā)生病害，嚴重影響襯砌的耐久性;黃亮［7］、李江林等［8］認為利用地質雷達檢測隧道襯砌質量具有良好的效果;胡曉等［9］對隧道襯砌質量檢測中地質雷達圖像特征進行了研究;魯建邦［10］對地質雷達探測過程中干擾物的圖像識別進行了研究;蔣昌華等［11］指出了地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的一些不足，如空洞的深度較難準確判斷、襯砌中回填片石不能準確識別等問題。

在用地質雷達進行隧道襯砌質量檢測過程中常會出現一些問題，如采集信號干擾大、采集信號偏弱、界面反射信號不明顯、襯砌厚度不能準確提取、病害信號無法辨識、病害位置顯示不準確等。這些問題中有些是地質雷達自身的問題，有些則是檢測者操作的問題。根據作者多年的隧道襯砌質量檢測經驗，從現場操作方面闡述了提高地質雷達檢測隧道襯砌質量的幾點措施。

1 地質雷達探測基本工作原理

地質雷達是基于地下介質的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術。其工作過程是:由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，該電磁波在地下傳播過程中遇到不同目標體(巖土體、空洞等)的電性介面時，就有部分電磁能量被反射回來，這部分電磁信號被接收天線所接收，并由主機記錄，從而得到電磁波從發(fā)射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時t［1］;根據接收到波的雙程走時、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷出介質的深度及內部結構等特征參數。地質雷達檢測原理如圖1所示。

圖1 地質雷達檢測原理圖Fig．1 Testing principle of ground penetrating radar

雷達波的穿透深度主要取決于目標介質的電性和雷達天線的中心頻率。介質的導電率越高，穿透深度越小，導電率越低，穿透深度越大;天線中心頻率越高，穿透深度越小，天線中心頻率越低，穿透深度越大。

地質雷達在野外采集的原始數據需要經過數據處理，得到有助于解釋的數據或圖像。原始資料中既包含有用信息，也包含各種噪聲，有些情況下，有用信息可能會被噪聲掩蓋。數據處理的目的是壓制噪聲、增強信號、提高資料信噪比，以便從數據中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息，幫助解釋人員對資料進行解釋。

2 地質雷達隧道檢測的幾個常見問題及處理措施

2．1 數據采集中增益設置問題

地質雷達系統(tǒng)的增益定義為最小可探測到的信號電壓或功率與最大的發(fā)射電壓或功率的比值，通常用dB作為單位。如果以Qs表示系統(tǒng)的增益，Pmin為最小可探測信號的功率，P0為最大發(fā)射信號的功率，則有

地質雷達探測時，增益的設置是一個重要環(huán)節(jié)，如果增益設置不好，測量值過大或過小都會影響目標體的探測。許多剛剛從事地質雷達隧道質量檢測的工作人員往往不重視現場的增益設置，甚至認為現場增益設置不合適可以通過后期數據處理軟件中的增益處理來彌補，這是非常錯誤的認識。事實上，如果現場采集增益選擇不好，一旦數據被記錄以后，很難通過數據處理的辦法來增強異常。

地質雷達系統(tǒng)具有2種增益設置方式，即自動增益設置方式和手動增益設置方式。隧道襯砌質量檢測過程中較多采用自動增益設置，即將地質雷達天線與隧道襯砌界面密貼，通過系統(tǒng)自動給出適合當前介質環(huán)境的增益參數。但是，如果現場選擇的增益地點襯砌背后存在明顯脫空和空洞，雷達系統(tǒng)給出的增益設置則很可能不適合正常的數據采集，致使病害反射信號減弱甚至消失，這一點在進行隧道初期支護噴射混凝土質量檢測時尤為明顯。

要解決這一問題，應盡量選擇在邊墻噴射混凝土密實度較好的地段進行增益設置(邊墻噴射混凝土密實與否可通過傳統(tǒng)的現場錘擊聽聲法確定)，盡量避免在拱部位置進行增益設置，因為隧道拱部位置往往容易發(fā)生空洞和脫空等病害。此外，現場增益設置時，應注意雷達天線盡量遠離干擾物，如隧道內的電線、金屬臺架等。

2．2 病害識別和干擾圖像辨識問題

采用地質雷達方法對隧道襯砌進行質量檢測的重要目的就是找出隧道襯砌的病害，如噴射混凝土不密實、襯砌背后空洞和脫空等。因混凝土、空氣和水的相對介電常數相差較大，電磁波在介質分界面會產生強反射，在雷達圖中有明顯反應，典型的病害雷達圖見圖2—4。其中，襯砌不密實在雷達圖中表現為團塊狀較強反射異常，信號波形紊亂(因隧道超挖，用片石回填，片石間存在空隙而造成不密實，在雷達圖像中表現出雜亂的強反射，見圖2);空洞在雷達圖中表現為弧形多次強反射;脫空在雷達圖中表現為成層狀的強反射信號特征，其縱向尺寸與空洞厚度比值較大。

圖2 襯砌不密實雷達圖Fig．2 Ⅰmage of incompact lining obtained by radar

圖3 襯砌空洞雷達圖Fig．3 Ⅰmage of hollow lining obtained by radar

圖4 襯砌脫空雷達圖Fig．4 Ⅰmage of separated lining obtained by radar

因隧道內結構和環(huán)境復雜，干擾因素多，采集到的數據中往往包含許多干擾信號，若在分析中沒有將這些干擾信號辨別，很可能對病害進行誤報。隧道內典型的避車洞、預埋管和臺架干擾信號雷達圖見圖5—7。

要想提高隧道病害識別和干擾圖像辨別的準確度，只了解隧道內典型病害和干擾信號雷達圖是不夠的，檢測者必須熟悉隧道的設計和施工技術，有針對性地尋找雷達圖中的病害信號。如隧道超挖嚴重時，初期支護拱架后往往存在背后脫空和空洞等病害，在雷達圖中一般在深度為20～40 cm位置處開始出現異常強反射;二次襯砌和初期支護間的病害往往存在于隧道拱部，兩模交界地段常出現不密實和空洞等病害。另外，對于隧道內明顯的干擾源要仔細做好記錄工作，現場記錄越詳盡，越有利于對數據的內業(yè)分析;同時，應準確判別異常信號是來源于襯砌內，還是隧道內其他干擾源。當天線在移動中與襯砌表面距離產生變化時，襯砌與圍巖之間的反射信號與表面反射信號同步變化，而隧道內干擾源的各種反射波則表現為反向變化，形成明顯的反差，依此可判定反射波是來自于襯砌內還是隧道內。

圖5 避車洞雷達圖Fig．5 Radar image interfered by niche

圖6 預埋管雷達圖Fig．6 Ⅰmage of embedded pipes obtained by radar

圖7 臺車和臺架干擾雷達圖［10］Fig．7 Radar image interfered by formwork trolley and working platform

2．3 隧道襯砌厚度檢測問題

采用地質雷達進行隧道襯砌厚度檢測時，需要知道雷達電磁波在襯砌介質中的傳播速度v和電磁波在襯砌底面反射的雙程走時t。電磁波在襯砌介質中的速度主要由介質的相對介電常數ε決定，而襯砌底面反射的雙程走時t主要取決于反射底面的精確拾取。在實際檢測過程中，通常采用在襯砌上鉆孔直達圍巖，然后丈量襯砌厚度d，再根據孔旁雷達波反射的雙程走時 t，反算波速 v的方法［12］。

由于丈量襯砌厚度和拾取反射底面存在誤差，使得反算得到的波速v也存在一定誤差;同時，由于隧道內襯砌混凝土密度、強度的離散性以及混凝土的固化程度、原材料的差異性等原因，電磁波在同一隧道不同地段襯砌混凝土介質中的波速v存在一定差異，有的差異甚至達到10%，對襯砌厚度的計算造成較大影響。

為提高采用波速的精度，應多選取幾個鉆孔位置，測算出波速并取平均值。若在一條隧道中測取3～5個波速值，誤差可以降到5%以內。還可以采用微電測深法定點測波速(精度高達±2 cm)，其測量方法簡單，不必打孔，可實現多次測量襯砌厚度的目的［8］。經驗表明，采用平均波速法，地質雷達探測隧道襯砌厚度的絕對誤差可控制在5 cm。

2．4 隧道襯砌質量檢測里程定位問題

用地質雷達進行隧道襯砌質量連續(xù)檢測時，可選用距離觸發(fā)方式或時間觸發(fā)方式。距離觸發(fā)方式是在雷達天線上安裝測距輪，檢測時讓測距輪和隧道襯砌表面密貼，隨著雷達天線的向前移動，測距輪隨之旋轉，測距輪中的感應器可根據測距輪尺寸和測距輪轉動圈數給出天線移動的距離。采用距離觸發(fā)方式，在雷達記錄數據中可直接顯示里程信息，不需要額外的內業(yè)處理，但現場采集數據往往耗時較長，且對現場操作人員要求較高。因隧道襯砌凹凸不平，尤其是進行隧道初期支護質量檢測時，測距輪和襯砌結構表面密貼不好，常出現測距輪漏轉現象，致使系統(tǒng)給出的記錄長度和實際檢測長度不符，有的甚至差別較大。時間觸發(fā)方式則是在雷達天線移動過程中人工打標記(通常每5 m或10 m打一個標記)，此方法和距離觸發(fā)方式相比外業(yè)耗時較少，但后期數據處理時需通過刪減和距離歸一化等操作確定里程位置;且該觸發(fā)方式要求雷達天線在檢測過程中勻速移動，這一點在現場檢測過程中往往很難保證，致使標記之間的具體里程位置出現誤差。

在隧道襯砌質量檢測中應用較多的是時間觸發(fā)方式。為提高檢測精度，現場采集時，要求盡可能控制好雷達天線的移動速度，保持勻速運行，以減小里程內插誤差;同時，現場應做好詳盡的記錄，以利于數據分析時更精確的定位里程。經驗表明，采用時間觸發(fā)方式，現場檢測里程定位絕對值誤差通?？梢钥刂圃?．5 m以內。

3 結論與討論

1)地質雷達參數選擇、現場增益的效果和作業(yè)環(huán)境等對探測結果的準確性起著重要作用。為提高準確性，增益設置應盡量在邊墻噴射混凝土密實度較好的地段進行，并遠離隧道內干擾物。

2)增強隧道襯砌病害的識別能力是一個積累的過程，檢測者必須熟悉隧道的設計和施工技術，有針對性地尋找雷達圖中的病害信號，不斷地積累現場檢測和室內分析經驗。

3)在隧道襯砌厚度檢測中，為提高采用波速的精度，可采用平均波速法，同時，還可輔以微電測深法。實踐經驗表明，該方法對控制測量誤差很有效果。

4)建議隧道襯砌質量檢測時采用時間觸發(fā)方式，應盡可能保證雷達天線勻速移動，并做好詳盡的現場記錄。

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