地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在公路隧道質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究

陸寬

（甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路里程逐年增加，隧道工程的建設(shè)取得了傲人的成就，但從工程的實(shí)踐中可以看出，隧道工程從“多”到“強(qiáng)”的路還很漫長(zhǎng)，在實(shí)際工程建設(shè)中，隧道質(zhì)量依然不容樂(lè)觀，隧道襯砌、防排水設(shè)施等隱蔽工程作為隧道建設(shè)過(guò)程的不確定因素，管理難度大，若過(guò)程質(zhì)量控制不到位，極易出現(xiàn)襯砌裂縫、滲水等病害。隧道建造過(guò)程中由于現(xiàn)場(chǎng)施工隊(duì)伍技術(shù)水平參差不齊又會(huì)使這些病害更加突出，嚴(yán)重影響到項(xiàng)目通車之后隧道工程的正常運(yùn)營(yíng)和使用壽命。因此在隧道施工過(guò)程中襯砌施工質(zhì)量檢測(cè)尤為重要。在隧道襯砌質(zhì)量的檢查中，通常都是釆用鉆芯取樣、開(kāi)窗檢查等方法，這種方法不僅檢測(cè)效率低、精確度不夠，檢測(cè)工作影響隧道正常施工，降低了工作效率，同時(shí)有可能穿透防水板，導(dǎo)致滲水，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞，給隧道后期運(yùn)營(yíng)留下安全隱患，嚴(yán)重影響耐久性及運(yùn)營(yíng)安全。地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近幾年發(fā)展較為迅速的一種隧道檢測(cè)技術(shù)手段，由于它在檢測(cè)中具有快速、無(wú)損、準(zhǔn)確度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛用于公路隧道檢測(cè)中。本論述以甘肅某公路隧道建設(shè)工程為例，通過(guò)對(duì)隧道部分段落的隧道襯砌進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)，波形圖數(shù)據(jù)處理分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道施工過(guò)程中容易出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，加強(qiáng)隧道施工過(guò)程質(zhì)量管控，為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)支撐，達(dá)到消除隧道質(zhì)量隱患和提升隧道施工質(zhì)量的目標(biāo)。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理及應(yīng)用條件

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的基本原理是采用電磁波探測(cè)技術(shù)，利用電磁波在不同介質(zhì)中傳播所產(chǎn)生的反射現(xiàn)象和數(shù)據(jù)差異來(lái)分析具體的地質(zhì)情況，如圖1所示。從原理上講，地質(zhì)雷達(dá)類似于聲納設(shè)備，發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖電磁波訊號(hào)，該電磁波訊號(hào)在巖層、土壤等介質(zhì)中傳播，在傳播過(guò)程中遇到與所檢測(cè)的巖層、土壤等不同介質(zhì)的物體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，接收機(jī)拾取所反射的信號(hào)，記錄它并在相配套的計(jì)算機(jī)軟件中顯示為不規(guī)律的波形圖像，根據(jù)所顯示的波形圖像可判斷地下物體的位置和距離，用于檢測(cè)各種地下構(gòu)筑物。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射電磁波所造成的反射是由電磁波傳播介質(zhì)中電阻抗的變化產(chǎn)生的，在地質(zhì)雷達(dá)頻率范圍內(nèi)，地下介質(zhì)的電阻抗變化主要由相對(duì)介電常數(shù)的變化決定，反射系數(shù)R如式1所示：

式中：e1、e2分別為相對(duì)介電常數(shù)。

由式1可以看出，信號(hào)反射的強(qiáng)弱主要取決于不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差值，差值越大，信號(hào)反射越明顯。在隧道檢測(cè)中，一般檢測(cè)的介質(zhì)主要由圍巖、混凝土、空氣、水構(gòu)成，有關(guān)介質(zhì)的介電常數(shù)值見(jiàn)表1所列。

表1 不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

2 隧道質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

該隧道分離式設(shè)計(jì)，間距約30 m。右線進(jìn)口樁號(hào)為K119+730，出口樁號(hào)為K120+685，全長(zhǎng)955 m；均屬中隧道。隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌單元，山體形態(tài)多渾圓狀，山脊較寬，洞室埋深較大，巖性主要為中風(fēng)化板巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差，頂部無(wú)支護(hù)可能會(huì)發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象，施工時(shí)洞室會(huì)有滲水、滴水現(xiàn)象。隧道圍巖等級(jí)評(píng)定為為Ⅲ～V級(jí)。初期支為12～26 cm C25噴射混凝土，初期支護(hù)中設(shè)計(jì)無(wú)鋼拱架或間距50～120 cm鋼拱架，二次襯砌為40～50 cm C30混凝土，二次襯砌設(shè)計(jì)無(wú)鋼筋或間距20 cm鋼筋。

2.2 檢測(cè)設(shè)備選擇

在探地雷達(dá)的產(chǎn)品及應(yīng)用中，有幾個(gè)問(wèn)題一直無(wú)法徹底解決：（1）低頻天線探測(cè)深，但分辨率差；高頻天線分辨率好，探測(cè)深度又太淺；（2）天線帶寬一直無(wú)法有效拓展，探測(cè)不同深度不同尺寸物體就要換更多天線來(lái)嘗試，在隧道洞內(nèi)檢測(cè)，不同頻率天線的選擇將直接影響檢測(cè)結(jié)果的判定，本次隧道襯砌測(cè)試深度為0.5～1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，檢測(cè)設(shè)備采用瑞典Im?pulseRADAR公司生產(chǎn)的天線頻率為600 MHz的PLT600探地雷達(dá)，PLT600探地雷達(dá)為數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，能大大提升隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的便捷性。

2.3 隧道測(cè)線布置

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌，檢測(cè)前需做好計(jì)劃，結(jié)合工程實(shí)際需要布置測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)，本次檢測(cè)共設(shè)置5條檢測(cè)線，具體包括隧道左邊墻和右邊墻、隧道左拱腰和右拱腰、隧道拱頂，這樣能夠全面客觀的檢測(cè)隧道工程是否存在質(zhì)量缺陷，防止遺漏。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

2.4.1 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)分析，本次檢測(cè)過(guò)程選擇的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）掃描速度：大于800掃／s；

（2）脈沖重復(fù)頻率：160 MHz；

（3）時(shí) 窗：263 ns；

（4）道間距：0.02 m；

（5）采樣點(diǎn)數(shù)：400～600；

（6）波速：100 m／us；

（7）信噪比：>126 dB；

（8）數(shù)據(jù)位數(shù)：16 bit；

（9）采集模式：測(cè)距輪模式。

2.4.2 注意事項(xiàng)

（1）檢測(cè)開(kāi)始前要向手持天線的工人交代使用方法（天線前進(jìn)方向、天線一定要和被測(cè)襯砌混凝土面密貼，保證測(cè)距輪的轉(zhuǎn)動(dòng)），一般檢測(cè)臺(tái)車上面要有至少2名工人配合工作。

（2）現(xiàn)場(chǎng)天線操作人員要與數(shù)據(jù)檢測(cè)人員保持同步進(jìn)行檢測(cè)，確保里程無(wú)誤差。

（3）檢測(cè)開(kāi)始前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要記錄準(zhǔn)備檢測(cè)的測(cè)線編號(hào)、地質(zhì)雷達(dá)天線前進(jìn)方向，隨時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有干擾的物體及其位置，檢測(cè)過(guò)程中保證天線移動(dòng)平穩(wěn)、速度均勻。

（4）為了保證檢測(cè)過(guò)程中里程樁號(hào)不發(fā)生誤差，在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)核對(duì)里程樁號(hào)，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)注意打標(biāo)記，每隔5～10 m打一個(gè)，如有異常位置也可打標(biāo)記并記錄。

（5）隧道拱頂和隧道拱腰部分隧道襯砌的檢測(cè)，通過(guò)高空檢測(cè)臺(tái)車將操作人員抬升至隧道拱頂和拱腰附近，使地質(zhì)雷達(dá)天線能夠緊貼隧道襯砌表面，高空檢測(cè)臺(tái)車要?jiǎng)蛩偾斑M(jìn)，檢測(cè)過(guò)程中確保天線移動(dòng)平穩(wěn)。

（6）二襯混凝土一般在28 d以后可進(jìn)行檢測(cè)，最好在混凝土齡期三個(gè)月后檢，混凝土齡期越久，介質(zhì)介電差異越大、電磁波衰減越小，其探測(cè)效果越好。

3 地質(zhì)雷達(dá)波形分析

3.1 數(shù)據(jù)處理分析

通常我們得到的雷達(dá)數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收會(huì)使反射信號(hào)逐步減弱，在所傳播的介質(zhì)不均勻時(shí)還會(huì)漫反射，為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，盡可能保留全部的反射波，相當(dāng)于所反射的電磁波有效信號(hào)和干擾信號(hào)同時(shí)被記錄下來(lái)，數(shù)據(jù)處理的目的就是消除不規(guī)則的干擾信號(hào)，最大可能顯示介質(zhì)的有效分布波形圖，準(zhǔn)確判斷隧道襯砌背后的真實(shí)情況。本次檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理，采用瑞典Im?pulseRadar公司PLT600地質(zhì)雷達(dá)隨機(jī)配備的Reflexw后處理軟件，常用的濾波處理步驟為：

（1）1D-Filter/Subtract-mean（1維濾波/去直流漂移）：去直流漂移，去除零漂現(xiàn)象。

（2）Static Correction/Move start time（靜校正/移動(dòng)開(kāi)始時(shí)間）：切除直達(dá)波，找到被測(cè)介質(zhì)表面。

（3）Gain/Energy decay（增益/能量衰減）：增強(qiáng)深部信號(hào)。

（4）2D-Filter/background removal（二維濾波/背景去除）：去除水平信號(hào)干擾，駐波。

（5）1D-Filter/bandpassbutterworth（1維濾波/巴特沃斯帶通濾波）：去除高低頻干擾。

（6）2D-Filter/Running average（二維濾波/滑動(dòng)平均）：去除毛刺噪聲干擾，圖像平滑。

3.2 典型雷達(dá)圖像分析

隧道襯砌無(wú)損檢測(cè)主要包括襯砌厚度、背部回填密實(shí)度、背后空洞以及鋼拱架、鋼筋分布情況等內(nèi)容。通過(guò)Reflexw后處理軟件處理雷達(dá)波形圖像，可增強(qiáng)目標(biāo)體信號(hào)，去除水平信號(hào)、高低頻干擾，有助于分析襯砌內(nèi)部存在缺陷的位置和嚴(yán)重程度。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，地質(zhì)雷達(dá)波形復(fù)雜多變，波形判別上需要根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況具體分析，通過(guò)參考典型襯砌檢測(cè)雷達(dá)圖像，可以積累經(jīng)驗(yàn)，能夠更好的分析比對(duì)所檢測(cè)出來(lái)的質(zhì)量缺陷。在隧道襯砌檢測(cè)中，襯砌混凝土的密實(shí)程度、是否有鋼筋都會(huì)影響雷達(dá)波的反射，進(jìn)而影響波形圖的判別，其中襯砌混凝土密實(shí)度較好的雷達(dá)反射波波形特征為反射信號(hào)幅度較弱，甚至沒(méi)有反射信號(hào)，襯砌混凝土密實(shí)度較差的雷達(dá)反射波波形特征為有較強(qiáng)的反射信號(hào)，且不規(guī)律、較分散、呈漫反射狀態(tài)。襯砌內(nèi)部鋼筋雷達(dá)反射波波形特征為連續(xù)且規(guī)律的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，呈連續(xù)小月牙形態(tài)，鋼拱架雷達(dá)反射波波形特征相對(duì)于鋼筋來(lái)說(shuō)呈分散狀大月牙形態(tài)。襯砌混凝土密實(shí)度較差的雷達(dá)反射波波形根據(jù)其信號(hào)強(qiáng)度和嚴(yán)重程度又具體分為空洞、脫空、不密實(shí)等不同的質(zhì)量缺陷判定結(jié)果。現(xiàn)就將一些典型襯砌雷達(dá)檢測(cè)缺陷圖像總結(jié)如下。

3.2.1 空洞、脫空

隧道出現(xiàn)空洞、脫空現(xiàn)象是指隧道二次襯砌與初期支護(hù)之間或初期支護(hù)與隧道圍巖之間產(chǎn)生的縫隙、空洞，主要原因有隧道二襯澆筑施工時(shí)混凝土振搗不到位導(dǎo)致混凝土澆筑不密實(shí)而形成的空洞；防水板鋪設(shè)時(shí)松弛度和平整度不符合要求而形成鼓包，導(dǎo)致襯砌澆筑時(shí)形成空洞、脫空；隧道拱頂混凝土澆筑完成封閉窗口時(shí)未注滿混凝土導(dǎo)致拱頂脫空；隧道內(nèi)地下水也會(huì)侵蝕和風(fēng)化圍巖，長(zhǎng)期作用下導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生空洞和孔隙。由表1可知，空氣、混凝土和圍巖等不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差值較大，隧道空洞、脫空產(chǎn)生的的縫隙、空洞中常含有空氣，雷達(dá)電磁波信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)襯砌混凝土、空氣等相對(duì)介電常數(shù)差值較大介質(zhì)，產(chǎn)生大幅度的強(qiáng)反射信號(hào)，隧道空洞、脫空形狀的不規(guī)則會(huì)使電磁波信號(hào)在空洞中產(chǎn)生多次較強(qiáng)的反射，在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為呈帶狀長(zhǎng)條形或三角形分布的強(qiáng)反射信號(hào)，如圖2、圖3所示，據(jù)此可判斷隧道襯砌出現(xiàn)空洞、脫空等現(xiàn)象。

圖2 二次襯砌背部脫空

圖3 二次襯砌背部空洞

3.2.2 混凝土不密實(shí)

襯砌混凝土不密實(shí)是指襯砌混凝土澆筑不密實(shí)而產(chǎn)生小的蜂窩狀小空洞、小間隙。主要原因有隧道襯砌施工時(shí)的振搗不到位，混凝土不密實(shí)；模板縫隙未完全密封，導(dǎo)致澆筑過(guò)程混凝土跑漿、漏漿?；炷敛幻軐?shí)部位的雷達(dá)波形圖一般也會(huì)有較大的強(qiáng)反射信號(hào)，但相較于隧道空洞、脫空產(chǎn)生大幅度的強(qiáng)反射信號(hào)，強(qiáng)度和范圍有所減弱，同時(shí)呈不連續(xù)、不規(guī)律、分散型分布，表現(xiàn)出紊亂和雜亂等現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 二襯混凝土不密實(shí)

3.2.3 鋼筋、鋼拱架分布

在隧道混凝土襯砌中的HRB400鋼筋和工字鋼鋼拱架導(dǎo)電性良好，可以對(duì)雷達(dá)電磁波產(chǎn)生較強(qiáng)的反射信號(hào)。如圖5、圖6所示，襯砌內(nèi)部鋼筋雷達(dá)反射波波形特征為連續(xù)且規(guī)律的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，呈連續(xù)小月牙形態(tài)，鋼拱架雷達(dá)反射波波形特征相對(duì)于鋼筋來(lái)說(shuō)呈分散狀大月牙形態(tài)。每個(gè)小月牙或大月牙形態(tài)的反射信號(hào)與一根鋼筋或一榀鋼拱架相對(duì)應(yīng)，從波形圖像上可以較直觀地觀察鋼筋、剛拱架分布情況，判別鋼筋、鋼拱架間距是否符合圖紙及設(shè)計(jì)要求，鋼筋保護(hù)層厚度作為隧道襯砌鋼筋檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也可以從波形圖像上定性的分析二襯鋼筋保護(hù)層厚度。

圖5 二襯鋼筋分布

圖6 鋼拱架分布

3.2.4 襯砌厚度

雷達(dá)波數(shù)據(jù)處理完畢后可以通過(guò)Reflexw處理軟件“分析—拾取”命令拾取層操作，判別二次襯砌的厚度以及初支與圍巖之間的界限，在工程實(shí)踐中通常根據(jù)雷達(dá)波形圖像分析辨識(shí)二襯厚度，對(duì)于沒(méi)有布設(shè)鋼筋的素混凝土二襯，二襯與初支之間層間信號(hào)反射明顯，通過(guò)“分析—拾取”命令拾取二襯與初支之間的分界面，較直觀判別二襯的厚度，對(duì)于混凝土有布設(shè)鋼筋的二襯，二襯鋼筋與初支鋼拱架之間的電磁波反射信號(hào)相互干擾，會(huì)影響二襯與初支之間分界面的判別，干擾二襯厚度的判斷，必要時(shí)可通過(guò)放大圖像的比例，選擇強(qiáng)反射層位界面，判斷二次襯砌的厚度。如圖7所示可知所檢位置襯砌厚度大部分在45～80 cm之間，最大厚度為80 cm，最小厚度為45 cm，襯砌厚度基本滿足要求。

圖7 二襯厚度

4 結(jié)束語(yǔ)

采用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)，可以將隧道施工過(guò)程中存在的各種質(zhì)量隱患消除在施工建設(shè)階段，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)隧道施工過(guò)程質(zhì)量管控，有效消除襯砌背部空洞等質(zhì)量隱患，襯砌厚度、鋼筋保護(hù)層等關(guān)鍵指標(biāo)合格率大幅提升，隧道施工質(zhì)量得到明顯提高。隨著地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，讓施工管理更加高效和精細(xì)化，對(duì)我國(guó)工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。