鐵路隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)影響因素試驗(yàn)研究

齊法琳，賀少輝，江 波

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081;2．北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

地質(zhì)雷達(dá)作為工程物探檢測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，具有連續(xù)、無損、高效和高精度等優(yōu)點(diǎn)，近年來已廣泛應(yīng)用于鐵路及公路隧道襯砌、路基病害和高速公路路面檢測(cè)，并取得良好效果。在既有線隧道襯砌檢測(cè)時(shí)，需采用升降平臺(tái)將操作人員抬升到較高位置，使操作人員能夠?qū)⒌刭|(zhì)雷達(dá)天線貼近隧道襯砌表面，檢測(cè)速度只能控制在3～5 km/h，并且一次僅能檢測(cè)一條測(cè)線，檢測(cè)速度不高，檢測(cè)效率較低。由于鐵路天窗時(shí)間有限，上述檢測(cè)方式不能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要。配置先進(jìn)的地質(zhì)雷達(dá)隧道狀態(tài)檢測(cè)車，對(duì)鐵路隧道的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)就顯得尤為迫切。

要采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)車進(jìn)行檢測(cè)，需從兩方面對(duì)既有的隧道襯砌檢測(cè)模式加以改進(jìn):①將地質(zhì)雷達(dá)天線離開襯砌表面一定距離，以提高檢測(cè)速度;②安裝多個(gè)雷達(dá)天線，可一次檢測(cè)多條測(cè)線，以提高檢測(cè)效率。本文結(jié)合實(shí)尺模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的影響因素進(jìn)行研究，為研制地質(zhì)雷達(dá)隧道狀態(tài)檢測(cè)車提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

為使試驗(yàn)具有代表性，結(jié)合實(shí)尺模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用不同地質(zhì)雷達(dá)廠家的不同頻率雷達(dá)天線和主機(jī)，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的影響因素進(jìn)行了研究。

1.1 實(shí)尺模型試驗(yàn)

根據(jù)我國(guó)鐵路隧道模筑混凝土整體式和復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的形式和尺寸，按實(shí)際尺寸制作整體式和復(fù)合式襯砌試件模型，并設(shè)置襯砌背后空洞、回填不密實(shí)等典型病害，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)研究。

1.1.1 模型

為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際隧道工程的一致性，專門委托具有隧道施工經(jīng)驗(yàn)的施工單位進(jìn)行加工。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄒr砌模型(圖1，分為整體式襯砌和復(fù)合式襯砌)和隧底模型(圖2)。

圖1 隧道襯砌模型(左側(cè)為復(fù)合式襯砌，右側(cè)為整體式襯砌)

圖2 隧底模型

襯砌模型長(zhǎng)9.0 m，模擬了隧道襯砌內(nèi)部、背后空洞和回填不密實(shí)等病害。整體式襯砌和復(fù)合式襯砌矮墻均為一半素混凝土襯砌，一半鋼筋混凝土襯砌(復(fù)合式襯砌指的是二襯)。

隧底模型長(zhǎng)6.0 m，寬5.0 m，模擬了隧底鋪底破碎和鋪底及仰拱均破碎兩種病害情況。

實(shí)際工程中，隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的測(cè)線布置一般以縱向?yàn)橹?，橫向?yàn)檩o?？v向布線是在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧底各布1條測(cè)線。本次模型試驗(yàn)布置4條測(cè)線，測(cè)線1和測(cè)線2檢測(cè)襯砌，測(cè)線3和測(cè)線4檢測(cè)隧底，見圖3。為了使試驗(yàn)結(jié)果具有普遍性，采用的地質(zhì)雷達(dá)天線來自于幾個(gè)不同廠家。

圖3 測(cè)線示意

1.1.2 襯砌檢測(cè)

測(cè)線1檢測(cè)復(fù)合式襯砌，測(cè)線2檢測(cè)整體式襯砌，測(cè)線距離地面50 cm。主要完成了以下4種工況的檢測(cè):

1)測(cè)線1以人工牽引方式，按地質(zhì)雷達(dá)天線距襯砌表面的距離分別為0(緊貼襯砌，見圖4)，10，20，30 cm共4種情況對(duì)復(fù)合式襯砌進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 天線緊貼襯砌表面

2)測(cè)線2以人工牽引方式，按地質(zhì)雷達(dá)天線距襯砌表面的距離分別為0，10，20 cm共3種情況對(duì)整體式襯砌進(jìn)行檢測(cè)。

襯砌實(shí)尺模型試驗(yàn)主要研究目的有:①離開被檢測(cè)物表面的距離對(duì)檢測(cè)效果的影響;②不同頻率的天線對(duì)檢測(cè)效果的影響。

1.1.3 隧底檢測(cè)

測(cè)線3和測(cè)線4分別布置于兩鋼軌外側(cè)。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為減少鋼軌對(duì)電磁波的干擾，天線離開鋼軌中心線約25 cm，距道砟頂面30 cm。檢測(cè)時(shí)以人工牽引方式，沿兩條測(cè)線分別往返檢測(cè)各3次，見圖5。

圖5 模擬隧底檢測(cè)

隧底實(shí)尺模型試驗(yàn)的主要研究目的有:①天線類型(普通屏蔽天線和空氣耦合天線)對(duì)檢測(cè)效果的影響;②不同頻率的天線對(duì)檢測(cè)效果的影響。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在北京鐵路局良陳線2號(hào)隧道進(jìn)行。良陳線2號(hào)隧道于1968年建成，全長(zhǎng)986.2 m，襯砌為整體式混凝土及噴射混凝土襯砌。采用不同廠家、不同頻率天線的地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了隧道襯砌和隧底檢測(cè)，見圖6和圖7。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)非接觸式檢測(cè)襯砌(距離30 cm)

圖7 現(xiàn)場(chǎng)隧底檢測(cè)

試驗(yàn)內(nèi)容見表1?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要研究目的有:①不同頻率的天線對(duì)檢測(cè)效果的影響;②離開被檢測(cè)物表面的距離對(duì)檢測(cè)效果的影響;③不同檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)效果的影響。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容

2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 天線頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

通過對(duì)不同頻率天線測(cè)試的襯砌雷達(dá)圖的對(duì)比可以看出，天線頻率是決定分辨率的重要參數(shù)。在其他條件相同的情況下，頻率越高分辨率越高，探測(cè)深度越淺。比如，采用900 MHz天線時(shí)可以識(shí)別出的空洞(圖8(a)中空洞12)，由于體積較小，采用400 MHz天線就很難識(shí)別出來(圖8(b)中沒有明顯的顯示)。

2.2 天線類型對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

在模型試驗(yàn)中，分別采用400 MHz屏蔽天線和空耦天線對(duì)隧底進(jìn)行了檢測(cè)。隧底中人為設(shè)置了一段有裂損的鋪底。從檢測(cè)結(jié)果來看，采用400 MHz空耦天線進(jìn)行隧底檢測(cè)所得到的雷達(dá)圖層位清晰，病害明顯，較普通屏蔽天線檢測(cè)效果理想，見圖9。

圖8 兩種頻率天線雷達(dá)圖對(duì)比(5 km/h)

圖9 鋪底裂損不同天線檢測(cè)雷達(dá)圖對(duì)比

2.3 天線離開襯砌表面的距離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

模型試驗(yàn)采用400 MHz屏蔽天線，研究了天線離開襯砌表面不同距離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。分析復(fù)合式襯砌模型試驗(yàn)結(jié)果，可以看出:

1)所有工況雷達(dá)圖上都能找出襯砌(包括初支，二襯)的層位，確定出的襯砌層厚度與實(shí)際情況吻合。

2)所有工況雷達(dá)圖上都能找出全部病害，病害的位置、范圍都比較接近，并與實(shí)際情況一一對(duì)應(yīng)。

3)天線底面與襯砌表面密貼時(shí)以及離開10 cm時(shí)的雷達(dá)信號(hào)都只用進(jìn)行增益處理就能形成清晰的雷達(dá)圖，而離開20 cm和30 cm的雷達(dá)信號(hào)都需經(jīng)過水平去背景、垂向?yàn)V波、增益處理才能形成可以判識(shí)的雷達(dá)圖，而在離開30 cm以上距離時(shí)，雷達(dá)信號(hào)弱，增加了判識(shí)難度，影響檢測(cè)效果。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，分別采用了 900，600，500，400 MHz天線，也得到了與上述同樣的結(jié)論。

2.4 檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在采樣速率滿足要求的條件下，采用400 MHz屏蔽天線分別進(jìn)行了不同速度的襯砌非接觸式檢測(cè)試驗(yàn)，通過對(duì)不同檢測(cè)速度下的檢測(cè)效果對(duì)比分析得出:①檢測(cè)速度在25 km/h速度以內(nèi)時(shí)，雷達(dá)圖像均較清晰，病害及異常的位置一致;②當(dāng)速度超過30 km/h時(shí)，一些體積比較小的異?？赡茉诶走_(dá)圖上顯現(xiàn)不出來。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)尺模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究頻率、天線類型、天線離開襯砌表面的距離和檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，為優(yōu)化隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)參數(shù)，研制隧道狀態(tài)檢測(cè)車提供了技術(shù)支撐。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:

1)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)能夠科學(xué)地檢測(cè)隧道的病害，特別是對(duì)襯砌厚度、空洞、回填不密實(shí)等有著其他檢測(cè)方法所不能比擬的分辨率高、經(jīng)濟(jì)、快速的優(yōu)勢(shì)。

2)原則上，普通屏蔽天線可以用于非接觸式檢測(cè)襯砌，但離開襯砌表面的距離以不大于20 cm為宜。當(dāng)天線距離檢測(cè)目標(biāo)表面距離超過30 cm時(shí)，使用空耦天線檢測(cè)效果更理想。

3)在掃描速率足夠高的前提下，在一定速度范圍之內(nèi)，檢測(cè)速度不會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，但隨著檢測(cè)速度的增加，雷達(dá)圖的清晰度有所下降，干擾信號(hào)有所增加。

4)采用高頻和中低頻天線組合方式可以達(dá)到最佳檢測(cè)效果，高頻天線利于襯砌內(nèi)鋼筋和淺層部位的檢測(cè)，中低頻天線利于深部圍巖的檢測(cè)。

［1］李大心．地質(zhì)雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994．

［2］楊峰，彭蘇萍．地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．

［3］朱海城．地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在寒冷地區(qū)客運(yùn)專線隧道工程中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2012(6):86-88．

［4］申耀偉，尤哲敏．高鐵運(yùn)營(yíng)隧道襯砌質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)［J］．鐵道建筑，2012(12):57-60．

［5］鐵道部運(yùn)輸局基礎(chǔ)部．鐵路隧道檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2007．