地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測中的應(yīng)用分析

吳雪雷

摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，促進(jìn)交通建設(shè)項(xiàng)目的增多。隨著我國交通行業(yè)的不斷發(fā)展及公路路網(wǎng)的普及，越來越多的隧道正在建設(shè)、建成進(jìn)而投入到運(yùn)營當(dāng)中，伴隨而來的是隧道二次襯砌質(zhì)量問題層出不窮。由于隧道二次襯砌為隱蔽性工程，目前對(duì)于襯砌中的缺陷多采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測，然地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果受到雷達(dá)儀器設(shè)備、檢測方法、檢測人員水平及經(jīng)驗(yàn)等方面的影響。如何采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場檢測及波形的分析，對(duì)隧道襯砌的缺陷特征進(jìn)行量化表示，對(duì)后續(xù)缺陷整治及隧道工程實(shí)體質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。本文就地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測中的應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);隧道襯砌;無損檢測;應(yīng)用

引言

隧道建設(shè)過程中，分項(xiàng)工程中存在著諸多隱蔽工程，在施工過程中進(jìn)行質(zhì)量控制極為重要，但對(duì)于完工的隧道和完工已久的隧道，在養(yǎng)護(hù)過程中，我們通常只能通過對(duì)隧道外觀的檢測，觀察是否二襯有裂縫和漏水等進(jìn)行一個(gè)肉眼觀察的判斷，對(duì)于二襯厚度是否達(dá)標(biāo)和二次內(nèi)圍巖的問題卻無從下手，地質(zhì)雷達(dá)為我們提供了很好的檢測手段，通過對(duì)隧道二襯發(fā)射脈沖電磁波，當(dāng)遇到隧道中的空洞、鋼筋、分界面等介質(zhì)不同體時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時(shí)由接收天線所接收。這樣我們就可以根據(jù)接受到的雷達(dá)波形，對(duì)其進(jìn)行分析，找出空洞，分界面具體位置，針對(duì)目標(biāo)進(jìn)行后期修復(fù)工作。

1地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測中的重要性

由于隧道工程的眾多分項(xiàng)、分部工程在建成后多屬于隱蔽工程，且檢測工程體量龐大，想要通過破壞性檢測的方法進(jìn)行全面的檢測不僅不現(xiàn)實(shí)，更會(huì)破會(huì)隧道總體結(jié)構(gòu)的完整性。如隧道襯砌建成后想要探究襯砌的厚度、背后空洞密實(shí)情況、鋼筋及鋼支撐分布情況時(shí)，必須通過無損檢測的方式對(duì)其進(jìn)行全面檢測，目前對(duì)于襯砌中的缺陷情況多采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測，地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)送和接收電磁波的形式，可以實(shí)現(xiàn)在對(duì)隧道襯砌本身沒有任何傷害和破壞的情況下，對(duì)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通對(duì)數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確掌握隧道襯砌的內(nèi)部質(zhì)量情況。地質(zhì)雷達(dá)這種無損檢測的方式不但采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而且所使用的儀器在資金的投入上屬于一次性投入，因此是隧道襯砌質(zhì)量檢測的不二選擇。在隧道建設(shè)施工過程中可在襯砌混凝土施工完成后及時(shí)對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描檢測，采集其內(nèi)部缺陷情況，以便及時(shí)采取缺陷整治措施。

2隧道襯砌雷達(dá)檢測機(jī)理

探地雷達(dá)（groundpenetratingradar，GPR）利用脈沖電磁波探測隱蔽介質(zhì)或目標(biāo)物的位置及分布。發(fā)射天線向被測體發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，遇不同介電特性介質(zhì)時(shí)電磁波發(fā)生部分反射，接收天線接收反射回波并記錄反射時(shí)間。電磁波在介質(zhì)中的傳播路徑（波形）會(huì)隨所經(jīng)介質(zhì)電性、幾何形態(tài)及尺寸的變化而改變，根據(jù)反射回波的旅行時(shí)間（雙程走時(shí)）、幅度頻率及縱橫向展布特征便可推測介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)及目標(biāo)體深度、形狀等特征參數(shù)。電磁波在介質(zhì)中的傳播特性取決于介質(zhì)波阻抗η，由式（1）知，η跟介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε成比例，當(dāng)相鄰兩層介質(zhì)的η存在差異，入射到兩介質(zhì)結(jié)構(gòu)層分界面上的電磁波便產(chǎn)生反射，形成反射波被接收裝置接收，該分界面即被識(shí)別。對(duì)隧道襯砌檢測而言，雷達(dá)電磁波在襯砌和圍巖中傳播遇波阻抗差異介質(zhì)面時(shí)將發(fā)生反射與折射，反射波能量大小取決于反射系數(shù)R?？捎墒剑?）表示：

式中：ε1，ε2為反射界面兩側(cè)的介電常數(shù)?？芍瓷浣缑鎯蓚?cè)介電常數(shù)差異越大，反射系數(shù)越大，電磁波反射越強(qiáng)烈，介質(zhì)界面越便于分辨，探測效果越理想。

3地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測中存在的若干問題

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測中發(fā)揮的巨大作用是毋庸置疑的，但這不是說這種檢測方法就是通俗易懂，無可挑剔的了。為了對(duì)隧道襯砌的所有狀況有更加準(zhǔn)確的把握，在使用地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)時(shí)要對(duì)檢測的準(zhǔn)確度、圖像的直觀性、后續(xù)軟件的處理能力、檢測人員的能力和經(jīng)驗(yàn)等密切關(guān)注。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)檢測過程中存在的主要問題呈現(xiàn)如下。（1）地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌中傳播速度受影響的問題地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌的檢測主要是通過電磁波來完成的，然電磁波的傳播速度主要取決于傳播介質(zhì)，傳播介質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致電磁波的波速產(chǎn)生較大的波動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)襯砌厚度的檢測精度出現(xiàn)較大的偏差。因此在檢測過程中，對(duì)電磁波的波速的認(rèn)定不能僅依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行，而是要對(duì)目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而得到目標(biāo)介質(zhì)的波速和介電常數(shù)。（3）地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌空洞范圍的探測問題。襯砌空洞范圍的探測是地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)的難點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌空洞的形狀及尺寸做出精確的測量和判斷還存在較大的難度。這方面的問題除了需要在地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)上加以提高改進(jìn)外，還應(yīng)從檢測方法中加以改善，如對(duì)存在空洞的目標(biāo)體進(jìn)行網(wǎng)格化掃描檢測，判定區(qū)脫空范圍，提高檢測精度。（2）地質(zhì)雷達(dá)在檢測過程中的襯砌表層鋼筋后部情況不易識(shí)別問題。由于地質(zhì)雷達(dá)所使用的電磁波在鋼筋中的傳播速度為0（鋼筋的介電常數(shù)無限大），電磁波傳播到鋼筋表面無法對(duì)其進(jìn)行穿透。襯砌內(nèi)部鋼筋較密，入射波在鋼筋網(wǎng)上產(chǎn)生強(qiáng)反射，透射能力弱，且鋼筋的繞射波阻礙了對(duì)鋼筋后部情況的識(shí)別，造成鋼筋網(wǎng)后部的襯砌界面不易識(shí)別，單、雙層鋼筋網(wǎng)不易判別。建議可以通過改變天線的移動(dòng)方向，提高電磁波的透射能力。

4地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測中的應(yīng)用

4.1檢測原理

簡單來說就是通過波的反射原理，在雷達(dá)發(fā)射出的電磁波遇到不同媒介和材料不均勻的相同媒介時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生反射、折射，反射波被儀器接收，經(jīng)過后處理得到波形圖像

4.2地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌的厚度方面探測分析

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)襯砌厚度的識(shí)別是通過電磁波在傳播過程中，由一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化才能接收到反射信號(hào)。反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上下介質(zhì)的介電常數(shù)差值，介電常數(shù)差值越大，反射信號(hào)越強(qiáng);介電常數(shù)無差異，則不發(fā)生反射。電磁波在入射過程中逐漸損失高頻信號(hào)，而剩下的低頻信號(hào)的疊加將導(dǎo)致波形圖的視周期變大，襯砌厚度的判斷可以根據(jù)視周期的變化來判別和區(qū)分雷達(dá)圖像所表征的不同厚度層。同一材料（介電常數(shù)）的厚度層中，其波形的視周期基本一致。

4.3數(shù)據(jù)采集

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的主要問題包括采集參數(shù)的選擇以及標(biāo)記混亂問題。第一，通過對(duì)已知厚度的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場測試，標(biāo)定介電常數(shù)等相關(guān)地質(zhì)雷達(dá)采集參數(shù)，多次試驗(yàn)，確定合理有效的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如時(shí)窗、采樣率、濾波和增益等。第二，在隧道左右邊墻上，每5m做一個(gè)單標(biāo)記，每50m做一個(gè)雙標(biāo)記，盡量避免因標(biāo)記錯(cuò)位而導(dǎo)致檢測結(jié)果錯(cuò)位。

4.4地質(zhì)雷達(dá)在隧道初期支護(hù)中鋼支撐數(shù)量及間距方面探測分析

隧道初期支護(hù)中鋼支撐數(shù)量及間距的檢測時(shí)，需要采用測距輪模式進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集。由于電磁波在鋼筋中的傳播速度為0，鋼支撐的介電常數(shù)無限大，且鋼支撐間距一般都相對(duì)較大，電磁波信號(hào)傳播到鋼支撐時(shí)，在雷達(dá)波形圖上的反應(yīng)就是分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)。

4.5地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌的空洞、脫空等方面探測分析

當(dāng)隧道襯砌混凝土中存在空洞或者脫空的情況時(shí)，空洞或者脫空的空腔內(nèi)一般情況下都是空氣，如果是含水較多的隧道，空腔內(nèi)也有可能是水。襯砌混凝土的介電常數(shù)一般是在6～9，空氣的介電常數(shù)為1，水的介電常數(shù)為81，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的電磁波從襯砌混凝土中傳播到空洞時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生較大的變化，反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大。當(dāng)空洞的空腔內(nèi)是空氣時(shí)，電磁波從混凝土傳播到空氣，介電常數(shù)從大到小，反射波的相位不會(huì)發(fā)生變化;當(dāng)當(dāng)空洞的空腔內(nèi)是水時(shí)，電磁波從混凝土傳播到水，介電常數(shù)從小到大，反射波的相位會(huì)變?yōu)榉聪颉?/p>

4.6資料解釋

地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的主要問題表現(xiàn)在襯砌缺陷的定性判斷和定量判斷。地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的原則具體如下：第一，對(duì)初期支護(hù)背后空洞、二次襯砌脫空、二次襯砌背后不密實(shí)、鋼拱架缺失，以及鋼筋網(wǎng)缺失等襯砌缺陷來說，只需要定性判斷它們是否存在。通常情況下，運(yùn)用正演數(shù)值模擬隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征可直接確定檢測結(jié)果。第二，對(duì)鋼拱架間距、鋼筋間距及襯砌厚度等襯砌缺陷來說，不僅需要定性判斷它們是否存在，而且需要定量判斷它們的規(guī)模。故這類問題僅僅采用襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征確定檢測結(jié)果是不充分的。此時(shí)，還要采用一些特殊的處理方法，如速度分析、偏移等。

5結(jié)語

在隧道的建設(shè)施工過程中，由于各方面因素的影響，二次襯砌往往會(huì)出現(xiàn)襯砌厚度不足、背后出現(xiàn)空洞或脫空、鋼筋或鋼支撐間距不合格等質(zhì)量問題，地質(zhì)雷達(dá)因其特有的無損、便捷、高效等特點(diǎn)，在二襯缺陷檢測中得到廣泛應(yīng)用。除了不斷創(chuàng)新研發(fā)新的地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)品外，更應(yīng)該提高檢測技術(shù)人員的技術(shù)水平和檢測經(jīng)驗(yàn)的積累，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，才能更加高效的為隧道工程實(shí)體質(zhì)量提供保障，確保隧道的運(yùn)營安全。

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（作者單位：中鐵六局集團(tuán)廣州工程有限公司）