地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道檢測中的應(yīng)用及典型圖像分析

景 勝

（福州鐵建工程質(zhì)量檢測有限公司，福建福州350014）

·隧道與建設(shè)工程·

地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道檢測中的應(yīng)用及典型圖像分析

景 勝*

（福州鐵建工程質(zhì)量檢測有限公司，福建福州350014）

采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測，不僅具有快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，而且還能進(jìn)行實(shí)時處理與顯示?？偨Y(jié)了溫福鐵路（福建段），福廈鐵路及贛龍鐵路擴(kuò)能改造工程（福建段）隧道襯砌檢測的情況，以隧道常見的典型雷達(dá)數(shù)據(jù)為工程實(shí)例，淺談地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用，說明地質(zhì)雷達(dá)可以及時、準(zhǔn)確、客觀地反映隧道襯砌病害情況，從而為施工單位早期制定方案、整治處理，消除工程隱患提供科學(xué)依據(jù)。

地質(zhì)雷達(dá)；隧道工程；襯砌質(zhì)量；典型圖像

1 概述

高速鐵路對隧道襯砌質(zhì)量的要求隨著時速的提高，質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。近年來高速鐵路隧道工程向深埋、長大方向不斷地發(fā)展，對后期病害的檢測和整治帶來很多困難。如何在施工過程中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行全面的整治，保證隧道質(zhì)量的耐久性和后期運(yùn)用安全，在施工過中采用地質(zhì)雷達(dá)對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測，是一項(xiàng)重要手段。

2 探測原理

地質(zhì)雷達(dá)方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)[1]。其利用一個天線向地下發(fā)射無載波電磁脈沖，另一天線接收由地下不同介質(zhì)界面反射回波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性（如介電常數(shù)Er）以及目標(biāo)體幾何形態(tài)的不同而發(fā)生變化，根據(jù)接收到的回波信息，可探測地下地層結(jié)構(gòu)特征和埋藏的目標(biāo)體[2-4]。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理見圖1。脈沖波的旅行時間見（1）式：

圖1 探測原理示意圖

式中：t——脈沖波走時，ns；

z——反射體埋深，m；

x——收發(fā)天線間距離，m；

v——雷達(dá)脈沖的波速，m/ns。

探測目標(biāo)層深度的計(jì)算公式見（2）式：

式中：Z——反射體法的深度，m；

t1——第一次脈沖走時，ns，1ns＝10-9s；

隧道檢測時地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線在隧道襯砌表面向其內(nèi)部發(fā)射頻率為數(shù)百兆赫茲的高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不同界面時會發(fā)生反射及透射，反射波返回襯砌表面，又被接收天線所接收（所用的天線為收發(fā)合一的屏蔽天線）。此時，雷達(dá)主機(jī)記錄下電磁波從發(fā)射到接收的雙程旅時Δt，而電磁波在襯砌內(nèi)傳播的速度V可由已知襯砌厚度段（避車洞）等測定出來，由（3）式求出反射面的深度即襯砌厚度。

在地質(zhì)雷達(dá)法勘探中，電磁波通常被近似為均勻平面波。其傳播速度在高阻媒介中取決于媒質(zhì)的相對常數(shù)εr，即電磁波在遇到不同媒質(zhì)界面時的反射系數(shù)R由（4）式計(jì)算：

由此可知，電磁波的反射系數(shù)取決于界面兩邊媒質(zhì)的相對介電常數(shù)的差異，差異越大，反射系數(shù)也越大。在隧道襯砌厚度的檢測中，主要涉及到媒質(zhì)有混凝土、鋼筋、空氣、水和圍巖，其物性差異[5]如表1所示。

表1 常見物質(zhì)的相對介電常數(shù)

從表1中可以看出，隧道內(nèi)所涉及到的這幾種媒質(zhì)物性差異較大，會形成較強(qiáng)大反射，比如，當(dāng)襯砌內(nèi)有脫空都會產(chǎn)生十分強(qiáng)烈的反射，物性的明顯差異正是地質(zhì)雷達(dá)法檢測隧道襯砌質(zhì)量的前提條件。

3 檢測工作實(shí)施

3.1 儀器設(shè)備

儀器采用美國GSSⅠ公司生產(chǎn)的SⅠR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀，采用100MHz、400MHz及900MHz收發(fā)單置屏蔽天線。采用100MHz天線做連續(xù)測量，時窗范圍：50～100ns，采樣率：512sam/can，掃描率：16scn./s；采用400MHz天線做連續(xù)測量，時窗范圍：30～50ns，采樣率：512sam/can，掃描率：64scn./s；采用900MHz天線做連續(xù)測量，時窗范圍：20～30ns，采樣率：512sam/can，掃描率：64scn./s。

3.2 測線布置

測線布置一般在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻及隧底左右中線各布置一條連續(xù)測線[1]，共7條測線。拱頂測線位于隧道中線處，左右拱腰測線位于左右襯砌起拱線處；左右邊墻測線位于隧底上方0.5m處。

4 數(shù)據(jù)處理與解譯

4.1 原始數(shù)據(jù)處理流程

先將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上，然后用RANDN軟件切除首尾廢段，按5m標(biāo)記對記錄進(jìn)行水平均衡，調(diào)整測量方向保持一致，零點(diǎn)校正，水平、垂直濾波，識別界面及有效信號，輸入介電常數(shù)，拾取襯砌厚度界面，最后存入Excel表格繪圖并打印。數(shù)據(jù)處理與解釋流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理與解釋流程圖

4.2 數(shù)據(jù)解釋原則

⑴初襯砌界面的判識。在地質(zhì)雷達(dá)圖像的上部，一般振幅較強(qiáng)，同軸同相比較連續(xù)的第一組波形為襯砌界面反射信號。界面判識后輸入正常的介電常數(shù)值，即可由計(jì)算機(jī)自動計(jì)算出襯砌厚度值，厚度的計(jì)算公式見（5）：

⑵襯砌混凝土缺陷及鋼筋鋼架判識襯砌背后回填密實(shí)度的主要判定特征符合如下要求：

密實(shí)：信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號；

不密實(shí)：襯砌界面的強(qiáng)反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散；

空洞：襯砌界面反射信號強(qiáng)，三振相位明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號，兩組信號時差較大；

鋼架：分散的月牙形強(qiáng)反射信號；

鋼筋：連續(xù)的小雙曲線弧形反射信號。

5 典型圖像分析

5.1 襯砌界面追蹤

圖3為贛龍鐵路擴(kuò)能改造工程某隧道局部地段拱頂?shù)睦走_(dá)檢測剖面，橫坐標(biāo)為隧道里程，單位采用m，縱坐標(biāo)時間，單位為ns。采用400MHz天線進(jìn)行探測。時間窗為35ns。該二次襯砌設(shè)計(jì)厚度為40cm。采用追蹤算法對二次襯砌進(jìn)行層位追蹤，其追蹤結(jié)果如圖2所示。從剖面圖中可知界面線清楚。

圖3 襯砌界面剖面圖

5.2 鋼筋分布

圖4為贛龍鐵路擴(kuò)能改造工程某隧道局部地段的拱頂鋼筋分布雷達(dá)檢測剖面，坐標(biāo)與圖3相同。采用400MHz天線進(jìn)行檢測。該段設(shè)計(jì)圍巖等級為Ⅴ級，襯砌為鋼筋混凝土襯砌，主筋間距20cm。圖中雙曲線弧形反射信號為鋼筋反映顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每2標(biāo)記間(標(biāo)記間隔5m)應(yīng)布置25根，實(shí)際檢測與設(shè)計(jì)相符。

圖4 鋼筋分布剖面圖

5.3 拱架分布

圖5為贛龍鐵路擴(kuò)能改造工程某隧道局部地段的左側(cè)邊墻拱架分布雷達(dá)檢測剖面，坐標(biāo)與圖3相同。采用400MHz天線進(jìn)行檢測。該段設(shè)計(jì)圍巖等級為Ⅳ級，初期支護(hù)采用拱架加強(qiáng)，間距0.8m，圖中月牙弧形反射信號為拱架反映顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每2標(biāo)間(標(biāo)記間隔5m)應(yīng)布置6榀，從圖5中可以清晰地反映出拱架的實(shí)際施工數(shù)量，實(shí)際檢測與設(shè)計(jì)相符。

圖5 拱架分布剖面圖

5.4 脫空

鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測過程，通過對溫福、福廈、贛龍鐵路隧道脫空的分析，發(fā)現(xiàn)常見脫空主要有2種情況。一種為施工接縫處的三角形空洞，空洞具體位置見圖6。在雷達(dá)數(shù)據(jù)中通過解譯表現(xiàn)出的特征如圖7所示。另一種常見脫空為襯砌界面之間的脫空。即初期支護(hù)與圍巖之間的脫空、初期支護(hù)與二次襯砌之間的脫空。圖8為贛龍鐵路擴(kuò)能改造工程某隧道局部地段拱頂雷達(dá)檢測剖面，坐標(biāo)與圖3相同。采用400MHz天線進(jìn)行檢測。該段設(shè)計(jì)圍巖等級為Ⅲ級，設(shè)計(jì)二次襯砌混凝土厚度35cm。圖8中解譯雷達(dá)數(shù)據(jù)所反映的異常體為層間脫空。

圖6 空洞位置示意圖

5.5 襯砌厚度

圖7 空洞剖面圖

圖8 空洞剖面圖

圖9為某隧道局部地段左側(cè)拱腰處雷達(dá)檢測剖面圖，坐標(biāo)與圖3相同。采用400MHz天線進(jìn)行檢測。該段設(shè)計(jì)圍巖等級為Ⅲ級，設(shè)計(jì)二次襯砌混凝土厚度35cm。圖中解譯雷達(dá)數(shù)據(jù)所反映襯砌界面清楚。局部位置二次襯砌厚度不足35cm。圖中1和2處在現(xiàn)場分別進(jìn)行了打鉆驗(yàn)證。1位置二次襯砌混凝土厚度僅為10cm。2位置二次襯砌混凝土厚度僅為15cm?，F(xiàn)場第一時間進(jìn)行了注漿處理。

圖9 襯砌厚度剖面圖

6 結(jié)束語

地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)的關(guān)鍵在于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和后期數(shù)據(jù)的解譯分析判斷。在隧道工程襯砌質(zhì)量檢測過程中，特別是在解譯分析襯砌混凝土厚度，襯砌內(nèi)的空洞大小及埋深、鋼筋和拱架的分布間距等是否滿足設(shè)計(jì)。具有科學(xué)、準(zhǔn)確、快捷的特點(diǎn)。地質(zhì)雷達(dá)為早期及時發(fā)現(xiàn)襯砌質(zhì)量問題，進(jìn)行整治，實(shí)時監(jiān)督，確保隧道工程質(zhì)量提供了科學(xué)的依據(jù)。

地質(zhì)雷達(dá)因探測原理本身的多解性，建議現(xiàn)場抽取部分缺陷位置進(jìn)行打孔驗(yàn)證?？梢杂行岣呓庾g結(jié)果的精度。

[1]TB10223—2004鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

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

[3]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(bào)，2002，(2)：71-74.

[4]趙永貴.工程地球物理檢測疑難問題研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2003,18(3)：368-36.

[5] 蒲會申.鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測與評價地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)使用手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

TheApplication and Typical ImageAnalysis of Ground Penetrating Radar in the Detection of Railway Tunnel

JING Sheng
(Fuzhou Railway Construction Engineering Quality Testing Co. Ltd，F(xiàn)uzhou Fujian 350014，China)

The quality inspection of railway tunnel lining by ground penetrating radar has the characteristics of quick,accurate, but also can be real-time processing and display.In Summing up the tunnel lining quality inspection situation of Wenfu Railway(Fujian section),FuXia railway and Ganlong railway expansion renovation project(Fujian section),taking the common typical tunnel radar data as a project case,the paper discusses the application of ground penetrating radar in railway tunnel engineering,and illustrates that the ground penetrating radar can timely,accurately and objectively response to tunnel lining disease situation,so then provide scientific basis for construction unit to make early plans,to repair and to eliminate hidden dangers.

ground penetrating radar；tunnel engineering；lining quality；typical image

U456.3

A

1004-5716(2015)04-0188-04

2014-04-08

2014-04-09

景勝（1984-），男（漢族），甘肅通渭人，注冊巖土工程師，現(xiàn)從事隧道雷達(dá)檢測及TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面的研究工作。