SIR4000地質(zhì)雷達在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應用

楊 泰

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司， 北京 100000）

0 前言

在高效快捷工作生活的今天，人們在城市與城市之間的出行，更多的選擇了高鐵這種便捷的交通工具。鐵路建設施工中，隧道施工地質(zhì)復雜，施工難度大，設計方案的先天不足，給施工留下質(zhì)量通病和安全隱患。特別是已建成運營的隧道，有不少隧道存在各種各樣的質(zhì)量缺陷，嚴重威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全。地質(zhì)雷達法無損、高效、高分辨率，快速采集分析圖像等優(yōu)勢，能夠準確找出隧道存在的質(zhì)量問題，便于及時對隱患進行處理，為交通建設帶來了技術(shù)支持。

1 SIR4000地質(zhì)雷達的優(yōu)點及國內(nèi)外占比情況

SIR4000地質(zhì)雷達在A/D轉(zhuǎn)換方面采用24位輸出數(shù)據(jù)格式，接收能力更加強大。SIR4000地質(zhì)雷達主機采用實時數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的掃描速率更高，在同樣的采樣點前提下，采集點越多，掃描線的分辨率越高。SIR4000共有采集點16384個。SIR4000的采集速度更快。疊加次數(shù)可反映儀器的去噪能力，疊加次數(shù)越大，去噪能力越強，信號質(zhì)量越好。SIR4000系統(tǒng)疊加次數(shù)為64000次。

SIR4000地質(zhì)雷達采用GSSI廠家專門研發(fā)的地質(zhì)雷達后處理軟件，比第三方軟件更具有針對性的處理效果，且軟件有中文版本，方便國內(nèi)用戶使用。美國 GSSI廠家的天線頻域最廣，頻率選擇最多，可滿足一機多用的要求，用戶可根據(jù)需要，搭配使用不同頻率的天線以完成不同工程的需要。

SIR4000地質(zhì)雷達在產(chǎn)品性能和應用領域方面都有獨特的優(yōu)勢，在國內(nèi)外擁有廣泛的用戶群體，受到了用戶的一致好評。在全球地質(zhì)雷達銷售市場中，SIR4000銷量超過6000套，占70%以上，其中在國內(nèi)銷售1500余套，市場占有率65%，是目前國內(nèi)外公認的最具口碑的地質(zhì)雷達。

2 SIR4000地質(zhì)雷達在鐵路隧道中的應用

2.1 工程概述

大張高速鐵路河北段大梁山隧道進口為單洞雙線隧道，里程DK55+735～DK69+130, 全長13395m，隧道最大埋深430m。大梁山隧道施工進口段里程 DK55+735～DK61+450，長度為 5715m，地質(zhì)條件復雜，DK55+735～DK56+600段上覆濕陷性黃土厚度0-30m，DK56+600～DK56+725段為泥巖夾砂巖，具有膨脹性，對隧道進口施工以及隧道基底有影響。

2.2 地質(zhì)雷達探測技術(shù)數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)處理的目的

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的目標是除去檢測過程中出現(xiàn)的干擾波，以最大可能的分辨率將雷達圖像上的反射波顯示出來，然后將反射波中各種有用的地質(zhì)信息包括電磁波速度，振幅和波形等提取出來，用于雷達圖像的判釋，如基于不同頻率的各種反褶積技術(shù)，確定性反演濾波、遞歸濾波、最小平方濾波和子波處理等。數(shù)據(jù)處理的另一目的是將數(shù)據(jù)元素重置以補償由于來自不同方向的反射迭加產(chǎn)生的空間畸變，如偏移處理等。

2）數(shù)據(jù)處理的方法

數(shù)字分析處理是雷達剖面圖像解譯的關(guān)鍵步驟。根據(jù)檢測目的，選擇合理的數(shù)字處理方法，突出目的層。常用處理方法一般有靜校去直流、道均衡、道間平滑、反褶積、增益調(diào)節(jié)以及插值等，目的在于以下幾個方面：

（1）取多次重復測量平均以抑制隨機噪聲；

（2） 取鄰近不同位置的多次測量平均以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；

（3）自動時變增益或控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波；

（4）濾波處理或時頻變換以除去高頻雜波或突出目的體，降低背景噪聲和余振影響；

（5）時域的一維、二維空間濾波；

（6）做與目的體有關(guān)的三維處理等等。

3）數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2.1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 工程應用

1）檢測部位

本次檢測的位置起止里程為DK55+735～DK61+450，長度5715，沿洞軸線方向分別在邊墻、拱腰、拱頂布置5條測線，采用的是400MHz屏蔽天線進行檢測，其穿透深度在100cm。具體的檢測部位如下表所示：

表2.1 大梁山隧道地質(zhì)雷達法檢測里程、部位及測線位置統(tǒng)計表

2）數(shù)據(jù)處理

在本工程具體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，數(shù)據(jù)處理采用SIR4000型探地雷達系統(tǒng)的RADAN6.5軟件，根據(jù)收集和掌握的設計、勘察、施工等資料進行數(shù)據(jù)分析。其主要處理步驟如下：（1）頭文件的處理：查看檢測的頭文件中的參數(shù)設置是否正確；（2）數(shù)據(jù)預處理：主要是對于數(shù)據(jù)的合并、切除，測線的歸一化處理、直達波的拾??；（3）干擾波處理：先通過一定的數(shù)字濾波方法過濾掉干擾波，然后經(jīng)反褶積突出異常信號，使異常波形更接近于異常體征。

3）檢測數(shù)據(jù)匯總

表2.2 大梁山隧道缺陷匯總表

4）具有代表性的缺陷檢測表

表2.3 大梁山隧道缺陷檢測表（代表性）

圖1 鋼筋間距過大

圖2 脫空

圖3 鋼筋保護層厚度不足

2.4 缺陷復測情況

根據(jù)《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》（TB10223-2004）對大梁山隧道的5條測線部位進行了質(zhì)量檢測，檢測過程中共計發(fā)現(xiàn)406處缺陷，其中23處二襯厚度不足，施工單位按照《大梁山隧道（DK57+000～DK61+200段）二次襯砌缺陷安全評價咨詢報告》進行整治銷號，其余的383處缺陷施工單位經(jīng)整改報檢后進行復測，復測結(jié)果完全符合設計要求，其余地段地質(zhì)雷達測線處未發(fā)現(xiàn)缺陷信號。

3 影響地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)準確性的因素

施工過程不規(guī)范及工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會影響數(shù)據(jù)的準確性：

1）鋼筋保護層較薄會影響到雷達圖像的檢測效果，對隧道襯砌施工而言，二襯內(nèi)鋼筋的定位尤為重要，由于部分隧道襯砌鋼筋綁扎不規(guī)范，鋼筋保護層較薄，鋼筋反射信號強，多次反射，致使二襯背后存在的缺陷異常反射信號被覆蓋，影響了檢測數(shù)據(jù)的準確性，影響了檢測質(zhì)量。

2）隧道內(nèi)存在預埋管件等鋼構(gòu)件的位置也會對檢測造成干擾。所以后續(xù)數(shù)據(jù)處理時，必須根據(jù)現(xiàn)場記錄，找出施工預埋的鋼構(gòu)件和位置里程，正確識別隧道襯砌內(nèi)部真實存在的缺陷異常和預埋管引起的假異常。舉例來說，雷達天線在檢測拱頂時，經(jīng)常會遇到接觸網(wǎng)預留滑槽，使圖像產(chǎn)生異常反應，但這不能被判定為缺陷。所以在缺陷識別中排除干擾數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。

4 提高地質(zhì)雷達探測精度的措施

在運動狀態(tài)下進行檢測時，由于人為因素以及檢測時設備天線的貼合度、檢測臺車的顛簸、檢測前雷達主機的參數(shù)調(diào)試等因素的影響，對檢測的數(shù)據(jù)精度會造成誤差。具體分析可以得出如下結(jié)論：

1）.隧道內(nèi)隧底積水等有其他對電磁波產(chǎn)生干擾的物質(zhì)會大大降低雷達天線探測深度和分辨率，因此在檢測過程中應盡量避開或?qū)⑦@些物質(zhì)清除后再進行檢測。避免這些物質(zhì)對我們采集雷達信號的干擾，這樣可以很好的減少在后期處理數(shù)據(jù)和出具檢測報告中的誤差。

2）檢測數(shù)據(jù)的好壞主要取決于現(xiàn)場檢測。有些隧道里程識別不清或里程識別未經(jīng)測量復核，在檢測過程中本身隧道內(nèi)視線不好，從而造成誤差較大，因此現(xiàn)場需要專業(yè)測量人員進行精確測量后標定，以保證現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)真實有效。這一點對判斷隧道內(nèi)的施工缺陷的位置至關(guān)重要。

3）天線的傾斜會導致檢測結(jié)果與真實情況存在偏差，檢測人員在手扶天線的過程中，可能會遇到行走路線上的障礙物或長時間的工作無法保持正確姿勢，從而使天線不能始終與測線方向保持平行，而產(chǎn)生一定的角度，從而直接影響雷達檢測數(shù)據(jù)。

4）在用儀器采集數(shù)據(jù)時，操作人員應密切注意雷達圖象的變化，對圖像異常段做好記錄，必要時進行復檢。保證檢測車平穩(wěn)勻速直線行進，中間盡量減少停頓，必要時記錄停頓位置。

5）探測前，對具體檢測的隧道，要根據(jù)設計和勘查的資料，選擇不同類型的天線，設置好儀器的各項參數(shù)，包括介電常數(shù)、增益、以及高、低通濾波等。特別是介電常數(shù)的確定，必須通過現(xiàn)場反復調(diào)試、試測，達到理想的效果才能進行檢測。

5 結(jié)語

SIR4000地質(zhì)雷達對隧道的探測，做到了不傷害現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，有快速、直觀、精準、分辨率高等特點，施工時能快速的使用地質(zhì)雷達檢測出隧道施工中的缺陷，及時的整改，避免重大安全質(zhì)量隱患，以便隧道驗收時順利通過。

盡管如此，SIR4000地質(zhì)雷達對雙層鋼筋結(jié)構(gòu)的探測還不是很準確，以后應研究地質(zhì)雷達對雙層鋼筋結(jié)構(gòu)探測的準確性，避免鋼筋間的反射造成判別誤差，確保使用地質(zhì)雷達法對隧道檢測達到更高的精度，為鐵路交通運營安全保駕護航。