地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用

陳瑾

1.前言

公路山區(qū)隧道的圍巖和初期支護(hù)作為隧道的主要受力結(jié)構(gòu)，二次混凝土襯砌則主要是起安全儲(chǔ)備作用，因此初期支護(hù)背后有無(wú)脫空或背后空洞的位置形態(tài)以及二次襯砌混凝土的實(shí)際厚度對(duì)于隧道的安全和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此必須在施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，以清除質(zhì)量隱患。地質(zhì)雷達(dá)方法具有快速、連續(xù)、高效等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中。

2.地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與分析

探測(cè)的雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)以脈沖反射波的波形形式記錄，用波形或灰度顯示探地雷達(dá)垂直剖面圖。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析包括兩部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理和圖像處理。

2.1地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

地址雷達(dá)數(shù)據(jù)處理步驟一般分以下4個(gè)步驟：

（1）消除隨機(jī)噪聲、壓制干擾，改善背景：

（2）自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆?，以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；

（3）濾波處理除去高頻，突出目標(biāo)體，降低背景噪聲和余振影響；

（4）通過(guò)對(duì)檢測(cè)波形的時(shí)間剖面、波形及振幅的變化規(guī)律的對(duì)比分析，對(duì)隧道初支和二襯噴混凝土厚度、背后是否存在空洞及不密實(shí)等情況進(jìn)行綜合評(píng)判。

2.2地質(zhì)雷達(dá)圖像處理

地質(zhì)雷達(dá)圖像處理包括圖像解釋和識(shí)別異常，一方面基于探地雷達(dá)圖像的判別結(jié)果，另一方面由工程實(shí)踐成果獲得。只有獲得高質(zhì)量的探地雷達(dá)圖像，正確的判別異常，才能獲得可靠、準(zhǔn)確的探測(cè)解釋結(jié)果，因此識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。

探地雷達(dá)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)，產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。

主要判定特征：①密實(shí)：襯砌信號(hào)幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號(hào)；②不密實(shí)：襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，信號(hào)為強(qiáng)反射信號(hào)，同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布；⑧空洞：襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大；④脫空：襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈帶狀長(zhǎng)條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號(hào)；⑤鋼筋網(wǎng)：有規(guī)律的連續(xù)的小月牙形強(qiáng)反射信號(hào)，月牙波幅較窄；⑥鋼拱架：?jiǎn)蝹€(gè)的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)，月牙波幅較寬；⑦鋼格柵：連續(xù)的兩個(gè)雙曲線強(qiáng)反射信號(hào)。

2.2.1初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

雷達(dá)波經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射后，最先到達(dá)接收天線的雷達(dá)波為空氣直達(dá)波，緊接著為表面直達(dá)波，再為噴混凝土和圍巖膠結(jié)面的反射波。反射波能量與圍巖和噴混凝土之間的物性差異有關(guān)，兩者物性差異越大，反射波能量就越強(qiáng)，反之，其能量就越弱。在地質(zhì)雷達(dá)圖像中振幅較強(qiáng)、同相軸比較連續(xù)的波就是噴混凝土和圍巖界面的反射信號(hào)，該界面上到表面就是噴混凝土厚度。當(dāng)混凝土中存在鋼筋時(shí)，將產(chǎn)生連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射信號(hào)；當(dāng)混凝土中有鋼拱時(shí)，將出現(xiàn)特別強(qiáng)的月牙形反射信號(hào)，每一信號(hào)表示有一鋼拱。當(dāng)噴混凝土背后回填不密實(shí)，混凝土與圍巖之間有空隙時(shí)，由于空氣與混凝土介電常數(shù)差別較大，電磁波在噴混凝土與空氣之間將產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)，如圖2所示。當(dāng)空洞比較大時(shí)，圍巖界面清晰可見，在地質(zhì)雷達(dá)剖面圖上主要表現(xiàn)為在噴混凝土層以下出現(xiàn)多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發(fā)生相位錯(cuò)位，且其能量明顯增強(qiáng)，如圖2所示。

2.2.2二次襯砌結(jié)構(gòu)

二襯檢測(cè)中重要的是判別初襯與二襯之間的界面反射波，由于反射波能量與二次襯砌和噴射混凝土的物理性質(zhì)差異有關(guān)，兩者物理性質(zhì)差異越大，反射波能量越強(qiáng)，否則其能量越弱，邊界不明顯，如圖3所示。

3.地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)

3.1檢測(cè)設(shè)備以及檢測(cè)方法

檢測(cè)設(shè)備：在檢測(cè)的時(shí)候運(yùn)用產(chǎn)自于瑞典的MRMAC地質(zhì)雷達(dá)，接收天線運(yùn)用單置式天線。

檢測(cè)方法：通常在隧道的拱頂、兩側(cè)的拱腰以及底墻處各布置一條測(cè)線，觀察的過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)存在信號(hào)異常，要對(duì)該處的測(cè)線進(jìn)行加密檢測(cè)。測(cè)線布置完成之后，在墻壁上每隔10m，用顏色鮮艷的標(biāo)志做一個(gè)標(biāo)記，然后使天線貼緊隧道的內(nèi)側(cè)墻壁，沿測(cè)線的方向進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)該過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的記錄。

3.2判斷依據(jù)

1）隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)，其判斷依據(jù)有以下幾點(diǎn)：其一，當(dāng)襯砌密實(shí)程度較好時(shí)，雷達(dá)的反射信號(hào)強(qiáng)度較弱，甚至?xí)霈F(xiàn)沒有接收到反射信號(hào)的現(xiàn)象；其二，當(dāng)襯砌密實(shí)程度較差時(shí)，雷達(dá)的反射信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，且出現(xiàn)不連續(xù)的弧形形狀；其三，當(dāng)襯砌存在空洞現(xiàn)象時(shí)，襯砌界面的雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，在下部依然存在強(qiáng)度較強(qiáng)的反射信號(hào)，但是兩組信號(hào)的接收時(shí)間差較大。

2）對(duì)鋼筋存在位置的判斷：其一，當(dāng)雷達(dá)信號(hào)呈現(xiàn)分布較為分散的月牙形，且反射信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，則說(shuō)明此處存在鋼架結(jié)構(gòu)；其二，當(dāng)雷達(dá)信號(hào)呈現(xiàn)分布較為連續(xù)的雙曲線的形狀，而且其反射信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，則說(shuō)明此處存在鋼筋。

3.3地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖像的分類

1）當(dāng)隧道襯砌與圍巖的緊密性相對(duì)較好，不存在空隙時(shí)，界面圖像的清晰程度直接受到混凝土與圍巖的緊密性以及混凝土介電常數(shù)的影響，其雷達(dá)反射信號(hào)相對(duì)較弱，但是可以通過(guò)相關(guān)軟件對(duì)隧道襯砌的厚度進(jìn)行計(jì)算。

2）當(dāng)隧道襯砌與圍巖的緊密性較差時(shí)，電磁波在襯砌混凝土與空氣之間的界面上出現(xiàn)強(qiáng)度較大的反射信號(hào)，且其界面很容易被認(rèn)識(shí)，隧道襯砌與圍巖之間的空隙可以被計(jì)算出來(lái)。

3）當(dāng)雷達(dá)的圖像中不存在差異較大的信號(hào)，且其圖像較為均勻，這就說(shuō)明隧道襯砌混凝土的密實(shí)程度較好。

4）當(dāng)雷達(dá)的圖像中呈現(xiàn)連續(xù)性，而且圖像縱向尺寸相對(duì)較大。

4.結(jié)論與建議

（1）地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌厚度、背后脫空、空洞的位置是能夠?qū)崿F(xiàn)的，并且檢測(cè)速度快、效率高，適合于現(xiàn)場(chǎng)的大面積連續(xù)快速檢測(cè)。

（2）隧道工程中，地面和襯砌表面往往起伏不平，導(dǎo)致在檢測(cè)過(guò)程中，雷達(dá)天線的跳動(dòng)，產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)。檢測(cè)長(zhǎng)大隧道時(shí)，里程較長(zhǎng)而累計(jì)的里程誤差往往使檢測(cè)結(jié)果失真。因此在開展檢測(cè)工作時(shí)，需特別注意，以減小人為誤差，提高檢測(cè)精度。