探地雷達(dá)在鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測中的應(yīng)用研究

朱兆榮，趙守全，秦 欣，吳紅剛，崔 雍

(1. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州交通大學(xué), 甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

近年來我國的高速鐵路發(fā)展迅速，高速鐵路隧道占比大，運(yùn)行速度快，若發(fā)生掉塊，擊中正在高速運(yùn)行的列車，將會造成嚴(yán)重的安全事故[1，2]。造成掉塊的原因大多是由于襯砌存在脫空或者空洞[3-7]，在運(yùn)營鐵路隧道開展襯砌工程質(zhì)量檢測受到諸多影響，和一般施工過程中進(jìn)行襯砌工程質(zhì)量檢測工作的方式存在很大差異，運(yùn)營隧道開展襯砌工程質(zhì)量檢測受工作條件、工作時間、工作方法等條件限制，只能利用有限天窗時間，克服現(xiàn)場不利的工作條件來進(jìn)行襯砌工程質(zhì)量檢測工作[8-10]。

目前對于襯砌厚度、脫空、空洞、仰拱填充密實(shí)度最為有效、準(zhǔn)確的檢測方法為地質(zhì)雷達(dá)無損檢測法。該方法被廣泛地應(yīng)用到施工過程監(jiān)控、竣工驗(yàn)收和開通運(yùn)營的隧道襯砌質(zhì)量檢測項(xiàng)目中[11-13]。針對運(yùn)營鐵路隧道的特殊性，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)在運(yùn)營鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測應(yīng)用技術(shù)研究，對保證檢測工作的順利進(jìn)行和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。本次研究對現(xiàn)場檢測中相關(guān)應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)如天線選擇、測線布置、標(biāo)識確認(rèn)、參數(shù)調(diào)整、現(xiàn)場檢測中影響檢測結(jié)果等因素進(jìn)行了深入分析，以避免檢測中出現(xiàn)雷達(dá)圖像失真等問題，盡可能提高探地雷達(dá)檢測過程中采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量[14]。

2 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)工作的基本原理為通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波[15]，接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強(qiáng)度等變化特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度，其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)工作原理Fig.1 Working principle diagram of ground penetrating radar

3 天線頻率的選擇

天線頻率的選擇應(yīng)根據(jù)擬探測的深度來選定。頻率高的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻高、分辨率高，但穿透距離短；頻率低的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻低、分辨率低，但穿透深度大[16]，因此如何選擇天線的頻率顯得非常重要。一般選用400～500 MHz的工作天線，它的波長約為20～30 cm，檢測大于或等于20 cm的襯砌厚度有足夠的分辨率，并可達(dá)到2 cm左右的探測精度，探測深度約1.5 m(受介質(zhì)介電常數(shù)影響)[17]。一般隧道圍巖等級有Ⅱ～Ⅵ級，二次襯砌厚度在25～60 cm范圍內(nèi)，針對隧道襯砌的情況，主要從分辨率、穿透力和穩(wěn)定性三個方面綜合考量?？蛇x用分辨率、穿透力強(qiáng)的400 MHz天線，電磁波在某介質(zhì)中的波長為：

(1)

式中，εγ為某介質(zhì)的相對介電常數(shù);v介為電磁波在某介質(zhì)中的波速;λ為電磁波在某介質(zhì)中的波長;γ為400 M天線頻率。400 M天線頻率的波長約為25～50 cm，檢測25～50 cm的襯砌厚度有足夠的分辨率，并可達(dá)到1.5 cm左右的探測精度，可探測深度約2 m，因此可以比較準(zhǔn)確地檢測隧道圍巖和襯砌間是否存在空洞、孔隙、不密實(shí)帶(區(qū)域)及其位置，從而測定襯砌厚度、質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)文件及《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求[18-20]。一般情況下都是用400 MHz屏蔽天線來進(jìn)行隧道的二襯質(zhì)量檢測，900 MHz屏蔽天線檢測隧道二襯質(zhì)量效果較差(尤其是二襯中布設(shè)鋼筋的情況)，不建議使用。

4 現(xiàn)場檢測

對在建隧道，在檢測工作前，需先做簡易的檢測平臺，以檢測車或裝載機(jī)為載體，在其上架設(shè)檢測平臺，必須保證平臺的牢固和穩(wěn)定，在每層作業(yè)平臺上必須要搭設(shè)防護(hù)欄(且高度不低于1.2 m)。根據(jù)測線位置，確定檢測平臺高度，一般上層平臺距離拱頂1.6～1.7 m，臺架要穩(wěn)固。在進(jìn)行隧道拱部的各測線檢測時，注意天線與襯砌表面密貼。檢測的測線并非理論上的“直線”(這里的直線是指測線軌跡要與隧道中線平行或接近平行)，大多存在左右或上下擺動，造成天線沿襯砌表面蛇形前進(jìn)或局部脫離襯砌表面，所以檢測過程中必須保證檢測車平穩(wěn)勻速前行，同時探地雷達(dá)天線密貼檢測工作面，減少晃動，使天線的走向(探地雷達(dá)測線)最大限度成為真正意義上的直線。

在檢測工作開始前，一定要求被檢方做到檢測路面的平整，路面不平整會降低雷達(dá)圖像采集的質(zhì)量，而且在檢測車行駛過程中存在安全隱患，極易發(fā)生檢測臺架剮蹭隧道內(nèi)壁的現(xiàn)象。檢測車的駕駛員技術(shù)一定要好，因?yàn)閷τ谝恍┧緳C(jī)，即使路面非常平整，也會“S”型行進(jìn)，造成探地雷達(dá)天線不斷地脫離隧道內(nèi)壁，有時也會出現(xiàn)擠壓探地雷達(dá)天線和工人的情況，造成人員受傷現(xiàn)象。探地雷達(dá)檢測工作需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作才能完成，檢測人員不能完全左右檢測工作的進(jìn)程，畢竟在檢測中既要識別里程標(biāo)識，又要對探地雷達(dá)圖像有個即時的初步判釋，很難再抽出一定精力指揮車輛的行駛和檢測臺架上工人的操作規(guī)范問題，這就需要對配合的工作做好技術(shù)交底，所有參與人員協(xié)作好了，才能保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量?？傊?，無論在何種情況下，都要優(yōu)先保證檢測工作的安全性。檢測中工作情況如圖2、圖3所示?，F(xiàn)場檢測工具應(yīng)根據(jù)所檢測隧道橫斷面的變化調(diào)整相應(yīng)的尺寸，以配合工人能從容保證探地雷達(dá)天線密貼隧道混凝土內(nèi)壁為準(zhǔn)。

圖2 作業(yè)平臺各測線示意圖Fig.2 Schematic diagram of each measuring line of operation platform

圖3 作業(yè)平臺各測線示意圖隧道拱部檢測Fig.3 Schematic diagram of each measuring line of working platform tunnel arch detection

對既有鐵路隧道質(zhì)量檢測，由于立柱、接觸網(wǎng)等隧道內(nèi)既有構(gòu)件的干擾，給探地雷達(dá)檢測帶來了很大的困難，要保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量必須先保證天線與隧道混凝土界面的耦合質(zhì)量。本文提供一種裝置，如圖4所示，該裝置能調(diào)整雷達(dá)天線的位置和天線的傾斜角度，同時通過升階系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)雷達(dá)天線的高度，輕松避讓存在立柱和接觸網(wǎng)的地方，有效保證采集數(shù)據(jù)的速度和質(zhì)量。

圖5為既有線拱頂部位實(shí)測探地雷達(dá)圖像，從圖像中可知，標(biāo)注區(qū)域三振相相連，成強(qiáng)反射信號，說明該處存在脫空。圖6中，左側(cè)所圈區(qū)域?yàn)樘降乩走_(dá)天線脫離混凝土表面后再秘貼混凝土表面的一個過程，為接觸網(wǎng)和立柱所在區(qū)域，雷達(dá)圖像因雷達(dá)天線避讓立柱和接觸網(wǎng)所形成的特殊波形，右側(cè)所圈范圍同圖5中所圈范圍，為混凝土存在脫空的判定特征波形。

圖5 既有鐵路隧道現(xiàn)場檢測探地雷達(dá)圖像1Fig.5 GPR measured data 1 of existing railway tunnel

圖6 既有鐵路隧道現(xiàn)場檢測探地雷達(dá)圖像2Fig.6 GPR measured data 2 of existing railway tunnel

對于既有鐵路隧道底部質(zhì)量檢測，由于道砟和軌枕的影響，干擾信號較強(qiáng)，所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，可采用400 M天線進(jìn)行檢測，經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理手段能有效反應(yīng)隧底的質(zhì)量問題，如圖7所示，雷達(dá)數(shù)據(jù)所反應(yīng)的異常區(qū)域與軌道沉降檢測所得結(jié)果一致，圖片中所圈區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)域，道床受到破壞，兩側(cè)發(fā)現(xiàn)翻漿點(diǎn)。

圖7 既有鐵路隧底實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.7 Measured data of existing railway tunnel bottom

5 探地雷達(dá)圖像的采集

在隧道現(xiàn)場檢測過程中，探地雷達(dá)圖像采集的質(zhì)量尤為重要，這個過程是正確分析探地雷達(dá)圖像的前提，如果所采集的探地雷達(dá)圖像存在失真現(xiàn)象，不但不能找出隧道襯砌存在的質(zhì)量問題，甚至可能誤導(dǎo)檢測人員，把質(zhì)量情況未知的段落判釋為缺陷，如天線在檢測過程中未能與隧道襯砌表面密切，會引起初用雷達(dá)人員誤判為脫空，實(shí)則為所采集的探地雷達(dá)圖像失真，未采集到該段固有的雷達(dá)波形。檢測中如發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)波形首波界面起跳，表明此時雷達(dá)天線已脫離隧道表面，此時應(yīng)提醒工人注意雷達(dá)天線密貼隧道混凝土表面，避免繼續(xù)采集無效雷達(dá)圖像。

6 探地雷達(dá)檢測應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

增益的調(diào)整在隧道檢測中是一門藝術(shù)，增益調(diào)整是否得當(dāng)直接關(guān)系到雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，甚至可能帶來人為的干擾異常。在隧道質(zhì)量檢測中，上部襯砌一般采取3點(diǎn)增益方式，隧道底部一般多為5點(diǎn)增益方式，有時因隧道底部厚度較小也可采用3點(diǎn)增益方式。

增益的調(diào)整工作，一般從自動到手動然后回到自動，反復(fù)操作，最后回到自動。一般情況下可以采集到襯砌結(jié)構(gòu)所固有的雷達(dá)波形特征，能夠滿足數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，但一些情況下，所采集數(shù)據(jù)的有效信息較少，必須回到手動狀態(tài)下進(jìn)行采集。

由于襯砌結(jié)構(gòu)不同，所對應(yīng)的增益參數(shù)也不一樣。雖然增益點(diǎn)數(shù)沒有固定的數(shù)值，但是有幾點(diǎn)原則需要掌握：

1)增益值不易過大，以免雷達(dá)圖像增幅過大，造成溢出現(xiàn)象，雷達(dá)圖像顯示為反射太強(qiáng)，白色反射太多，有效信息被覆蓋，此時需降低增益。

2)增益值不易過小，雷達(dá)圖像目標(biāo)層反射信號太弱，星星點(diǎn)點(diǎn)的看不清，采集到的有效信息有限，此時需適當(dāng)增大增益點(diǎn)的數(shù)值。

3)檢測由有鋼筋襯砌段落過渡到無鋼筋襯砌段落時，要適當(dāng)增大增益點(diǎn)的數(shù)值；反之，需適當(dāng)降低增益點(diǎn)的數(shù)值。

4)在自動增益模式下檢測時，若反復(fù)多次調(diào)試都無法獲取更多的有效信息，則需切換到手動模式進(jìn)行調(diào)整增益。

5)探地雷達(dá)首個增益點(diǎn)值默認(rèn)為-20，如發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)波形首波反射較弱或非常弱的情況，應(yīng)及時切換到手動模式，增加首個增益點(diǎn)的增益值，同時要兼顧對其后波形的影響。

總之，調(diào)整增益在雷達(dá)檢測中占有很大的比重，調(diào)整合適的增益，有助于采集到高質(zhì)量的襯砌結(jié)構(gòu)固有雷達(dá)波形，為后期的波形分析打下良好的基礎(chǔ)。如增益調(diào)整失當(dāng)或雷達(dá)天線脫離隧道內(nèi)壁，采集的雷達(dá)波形失真或信噪比低等，都會給后期的雷達(dá)波形分析工作帶來麻煩，因此，必須確保雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，否則，一切都是罔談。

7 結(jié) 論

通過對幾百座運(yùn)營鐵路隧道襯砌質(zhì)量工作進(jìn)行分析總結(jié)，可得出如下結(jié)論：

1)運(yùn)營隧道襯砌質(zhì)量檢測宜選擇美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3 000型(或SIR-4 000型)探地雷達(dá)，檢測結(jié)果準(zhǔn)確率高，儀器穩(wěn)定運(yùn)行時間長，特別適用于有天窗時限要求的運(yùn)營鐵路工作環(huán)境。

2)運(yùn)營隧道襯砌質(zhì)量檢測雷達(dá)天線頻率一般情況下宜選擇400 MHz屏蔽天線來進(jìn)行隧道的二襯質(zhì)量檢測，900 MHz屏蔽天線檢測隧道二襯質(zhì)量效果較差，不建議使用。

3)雷達(dá)檢測縱向測線的位置應(yīng)在隧道拱頂、左右拱腰和左右邊墻，各布1條；高鐵隧道，一般都是在以上布線的基礎(chǔ)上，隧底左右兩側(cè)同時布設(shè)一條測線；測線宜每10 m有一個里程標(biāo)記。

4)運(yùn)營隧道襯砌質(zhì)量檢測最特殊的一項(xiàng)工作就是檢測工作平臺，需要特殊加工一個可以在軌道上行走的檢測工作平臺，可快速避讓立柱和接觸網(wǎng)等既有構(gòu)件，并確保天線與襯砌表面密切貼合，以保證雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量。

5)增益調(diào)整對檢測中確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性至關(guān)重要，增益不宜過大也不宜過小，既要避免采集不到較多的有效信息，也要避免波形溢出，覆蓋有效信息。