地鐵隧道襯砌病害探地雷達(dá)圖像特征分析

劉恩軍，馮 強(qiáng)，余海忠

（1. 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518029；2. 深圳市寶安區(qū)建筑工務(wù)署，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，其用途也越來越廣，其中低頻率（12.5～100 MHz）的探地雷達(dá)主要用于礦山探測(cè)、地質(zhì)分層、地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)[1]、海堤檢測(cè)[2]等；中頻率（100～1 000 MHz）的探地雷達(dá)由于探測(cè)精度更高，可分辨的層位和目標(biāo)更精細(xì)，可用于鐵路路基檢測(cè)、公路路面檢測(cè)[3]、地下管線的探測(cè)[4]、隧道質(zhì)量檢測(cè)[5-6]、機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪及跑道檢測(cè)[7]、地面塌陷檢測(cè)等；高頻率（＞1 000 MHz）的探地雷達(dá)則主要用于鋼筋分布檢測(cè)。

目前，我國(guó)地鐵建設(shè)正處于高潮期，全國(guó)已有40多個(gè)城市開通地鐵，上海、北京、廣州、成都等地已經(jīng)開通了10條以上地鐵運(yùn)營(yíng)線路，截至2021年12月31日，深圳已開通地鐵運(yùn)營(yíng)線路11條，累計(jì)線路長(zhǎng)度431.03 km，預(yù)計(jì)到2035年，深圳將建成1 335 km的地鐵線路。隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵隧道的質(zhì)量檢測(cè)手段也在發(fā)生變化，常規(guī)的檢測(cè)方法難以解決一些隱蔽的質(zhì)量問題，探地雷達(dá)等高科技無損檢測(cè)技術(shù)已成為一種常用的檢測(cè)手段，然而探地雷達(dá)的檢測(cè)效果卻因人而異，主要原因是部分檢測(cè)人員對(duì)隧道襯砌病害的探地雷達(dá)圖像特征沒有掌握透徹，因此，通過總結(jié)地鐵隧道襯砌的病害類型及其探地雷達(dá)圖像特征，提高地鐵隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)效率尤為重要。

2 隧道主要施工方法及其襯砌的病害類型

2.1 地鐵隧道的主要施工方法

地鐵隧道的主要施工方法包括：沉管法（水底）、蓋挖法、明挖法、暗挖法。由于地鐵隧道多位于城市復(fù)雜環(huán)境中，故暗挖法使用最為廣泛。暗挖法又分為頂管法、新奧法、盾構(gòu)法、礦山法等，其中礦山法和盾構(gòu)法應(yīng)用最為廣泛，目前深圳地鐵的隧道主要采取這2 種方法進(jìn)行施工。

2.1.1 礦山法

礦山法又稱淺埋暗挖法，主要利用土層在開挖過程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，通過噴射混凝土形成初期支護(hù)（以下簡(jiǎn)稱“初支”），保護(hù)圍巖或土層表面，待初支形成后澆筑二襯混凝土。該方法適合于黏性土層、砂層、砂卵層等城市地區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件，在隧道埋深小于或等于隧道直徑的情況下，依然可以達(dá)到很小的地表沉降效果，對(duì)城市交通的影響最小，可以省去許多拆遷、道路占用和掘路等報(bào)批程序，對(duì)環(huán)境無污染、無噪聲、不擾民，適合于各種尺寸與斷面形式的地鐵隧道。

2.1.2 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是采用盾構(gòu)機(jī)在地面以下直接暗挖隧道的一種自動(dòng)化程度很高的施工方法。盾構(gòu)機(jī)每頂進(jìn)一環(huán)距離，就在盾尾拼裝一環(huán)管片并進(jìn)行管片壁后注漿填補(bǔ)空隙，具有安全可靠、施工速度快等特點(diǎn)。盾構(gòu)隧道一般為圓形，目前也有少量雙圓、橢圓、矩形等異形盾構(gòu)隧道。

2.2 地鐵隧道襯砌的病害類型

2.2.1 礦山法隧道襯砌的病害類型

礦山法施工主要由人工進(jìn)行，工序復(fù)雜，難點(diǎn)較多，因此在施工過程中容易出現(xiàn)各種病害，主要出現(xiàn)在二襯和初支之間。具體的病害包括：二襯與初支間存在脫空；二襯后存在空洞；二襯混凝土不密實(shí)；圍巖欠挖及二襯厚度不夠。

這些病害問題往往比較隱蔽，從外觀上難以發(fā)現(xiàn)，必須借助檢測(cè)手段才能獲悉。

2.2.2 盾構(gòu)隧道襯砌的病害類型

隨著地鐵隧道盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，已經(jīng)形成了一套非常成熟的地鐵隧道盾構(gòu)設(shè)計(jì)、施工計(jì)算理論和操作細(xì)則，因此盾構(gòu)法施工的隧道質(zhì)量較其他方法更為可靠。但如果施工人員操作不當(dāng)、盾構(gòu)機(jī)選型錯(cuò)誤，也會(huì)出現(xiàn)以下質(zhì)量問題：①盾構(gòu)管片出現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)；②盾構(gòu)管片接縫處滲漏；③盾構(gòu)管片破損、裂縫、螺栓松動(dòng)等；④盾構(gòu)管片后方充填不密實(shí)。

前3項(xiàng)病害問題從外觀上便可獲悉，一般無需借助檢測(cè)手段，第4項(xiàng)病害問題外觀上難以發(fā)現(xiàn)，必須借助檢測(cè)手段才能獲悉。主要和電磁波頻率有關(guān)，頻率越低則穿透的越深。探地雷達(dá)原理示意如圖1所示，以2層均勻介質(zhì)為例，電磁波在第一層介質(zhì)中的傳播速度為v，當(dāng)圖中x （發(fā)射天線與接收天線中心點(diǎn)之間的距離）遠(yuǎn)小于h （反射界面的埋藏深度）時(shí)，可根據(jù)探地雷達(dá)記錄中反射波的到達(dá)時(shí)間差 t，由近似公式（1）計(jì)算出反射界面的埋藏深度h。

圖1 探地雷達(dá)原理示意圖

3 探地雷達(dá)基本原理和工作方法

3.1 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar）又稱為地質(zhì)雷達(dá)（Geology Prospecting Radar），英文縮寫都是“GPR”，是一種電磁類物探方法，通過向地下發(fā)射電磁波、接收地下反射波并分析反射波的特征來判斷地下結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)90年代引入中國(guó)，得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播理論，發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波，當(dāng)遇到地下不均勻體或地質(zhì)界面時(shí)會(huì)反射一部分電磁波回來，另一部分繼續(xù)向下傳播，遇到界面再反射，直至電磁波能量耗盡，電磁波的穿透能力

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v可由公式（2）計(jì)算得到：

式（2）中，c是電磁波在空氣中的傳播速度，相當(dāng)于光速，約為3×108m/s；ε為相應(yīng)地層的相對(duì)介電常數(shù)。

地質(zhì)界面電磁波反射信號(hào)的振幅與地質(zhì)界面的反射系數(shù)有關(guān)，反射系數(shù)R可表示為：

式（3）中，ε1為界面以上介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε2為界面以下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差異，介電常數(shù)差異越大，電磁波反射信號(hào)越強(qiáng)。當(dāng)襯砌混凝土背后回填不密實(shí)時(shí)，混凝土與圍巖之間有空隙，由于空氣與混凝土的相對(duì)介電常數(shù)差別較大，因此電磁波在混凝土與空氣之間將產(chǎn)生很強(qiáng)的反射信號(hào)。

3.2 探地雷達(dá)工作方法

不同構(gòu)造的探地雷達(dá)設(shè)備工作方法不同，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線可分離時(shí)，采用寬角法和剖面法；當(dāng)發(fā)射天線和接收天線為一個(gè)整體時(shí)，則采用剖面法。

寬角法工作時(shí)，可以采用一個(gè)天線固定，另一個(gè)天線移動(dòng)的方式，也可以兩個(gè)天線同時(shí)由一中心點(diǎn)向兩側(cè)反向移動(dòng)。對(duì)于同一界面的反射波，天線間距不同，反射波到達(dá)時(shí)間也不同。距離越大，反射波到達(dá)時(shí)間越長(zhǎng)，這樣采集的雷達(dá)圖形以天線間距為橫坐標(biāo)，雙程傳播時(shí)間為縱坐標(biāo)，同相軸呈傾斜形態(tài)，速度越小同相軸越陡，速度越大同相軸則越緩，通過同相軸的斜率可以計(jì)算介質(zhì)的電磁波速度。

剖面法是發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的方法，其記錄點(diǎn)位于兩個(gè)天線之間的中點(diǎn)。剖面法工作時(shí)，可采用手工點(diǎn)測(cè)觸發(fā)、自動(dòng)連續(xù)觸發(fā)和測(cè)距輪控制觸發(fā)等方式，高頻探地雷達(dá)采集速度很快，目前部分設(shè)備還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣，因此在做高速公路或鐵路檢測(cè)時(shí)，可安裝在車上進(jìn)行快速檢測(cè)，檢測(cè)速度最高可達(dá)100 km/h。

隨著探地雷達(dá)裝備的發(fā)展，目前還有二維天線陣和三維探地雷達(dá)的工作方法。

3.3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的方法主要有球面指數(shù)補(bǔ)償增益（SEC增益）、自動(dòng)增益控制（AGC增益）、道平均濾波、點(diǎn)平均濾波、頻率域（低通、高通、帶通）濾波、二維（頻率波數(shù)域）濾波、偏移歸位處理、反褶積處理、小波變換處理、地形改正及修飾性處理等。對(duì)于高頻雷達(dá)，由于其天線一般可做成屏蔽式的，抗干擾能力較強(qiáng)、信噪比高，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法進(jìn)行處理。

4 隧道襯砌病害的探地雷達(dá)圖像特征

通過大量的隧道襯砌病害檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和對(duì)比，同時(shí)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，總結(jié)出正常襯砌與常見病害的探地雷達(dá)圖像特征。

4.1 正常襯砌

正常襯砌的探地雷達(dá)圖像如圖2所示，從圖中可明顯發(fā)現(xiàn)二次襯砌中存在2層鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚約5 cm，二次襯砌厚約35 cm，且厚度均勻，說明襯砌質(zhì)量比較穩(wěn)定。從圖中還可看出，二襯和初支間界面反射波能力弱，表明襯砌之間結(jié)合緊密，無脫空現(xiàn)象。圍巖內(nèi)部無雜亂反射，表明圍巖完整，未受擾動(dòng)。

圖2 正常襯砌的探地雷達(dá)圖像

4.2 二襯與初支間存在脫空

存在脫空的探地雷達(dá)圖像如圖3所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)初支面起伏較大，二襯與初支間反射波能量很強(qiáng)，界面反射系數(shù)大，說明二襯與初支結(jié)合不夠緊密，交界面存在空氣，即存在脫空現(xiàn)象。

圖3 存在脫空的探地雷達(dá)圖像

4.3 二襯后存在空洞

二襯后存在空洞的探地雷達(dá)圖像如圖4所示，從圖中可明顯發(fā)現(xiàn)能量較強(qiáng)的雙曲線型多次反射，說明襯砌后方存在空氣，電磁波在界面上被反射回地面后又再次入射到該界面并再次反射，循環(huán)多次造成多次反射。

圖4 二襯后存在空洞的探地雷達(dá)圖像

4.4 二襯內(nèi)混凝土不密實(shí)

二襯內(nèi)存在三角形空洞的探地雷達(dá)圖像如圖5所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)襯砌中存在三角形空洞時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生能量較強(qiáng)的多次反射外，還有一個(gè)特征就是會(huì)產(chǎn)生傾斜的反射同相軸。

圖5 二襯內(nèi)存在三角形空洞的探地雷達(dá)圖像

二襯內(nèi)存在拱形空洞的探地雷達(dá)圖像如圖6所示，和二襯后方存在空洞的圖像特征類似，也是存在能量較強(qiáng)的雙曲線型多次反射圖像，只是其發(fā)育深度較淺，在二襯內(nèi)部。

圖6 二襯內(nèi)存在拱形空洞的探地雷達(dá)圖像

4.5 圍巖欠挖及二襯厚度不夠

圍巖欠挖的探地雷達(dá)圖像如圖7所示，圍巖欠挖時(shí)，初支面凸起，二襯厚度明顯偏?。ㄖ挥?0 cm厚，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值35 cm）。二襯厚度不夠和圍巖欠挖的區(qū)別在于二襯和初支的界面是平的，不存在初支面凸起的現(xiàn)象。

圖7 圍巖欠挖的探地雷達(dá)圖像

5 檢測(cè)實(shí)例

5.1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線起于深圳前海灣站，線路經(jīng)過南山、寶安、龍華、龍崗、羅湖5個(gè)行政區(qū)，終點(diǎn)位于羅湖區(qū)黃貝嶺站，線路全長(zhǎng)約40 km，共布設(shè)車站27座。5號(hào)線于2010年6月22日正式投入運(yùn)營(yíng)。其中，興留區(qū)間由于不具備盾構(gòu)法施工條件，采用礦山法施工，地鐵公司為控制隧道施工質(zhì)量，采用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行了檢測(cè)。

5.2 選用的儀器

檢測(cè)采用RIS K2型探地雷達(dá)，配備600 MHz屏蔽天線，由測(cè)距輪自動(dòng)控制采集，該儀器具有探測(cè)速度快、精度高的特點(diǎn)。

5.3 測(cè)線布置方式

針對(duì)5號(hào)線興留區(qū)間隧道的斷面形式，在隧道拱頂、兩邊拱腰、兩邊邊墻處共布設(shè)了5條縱向探地雷達(dá)測(cè)線。

5.4 現(xiàn)場(chǎng)操作

采用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)操作要點(diǎn)如下：

（1）現(xiàn)場(chǎng)操作人員保證雷達(dá)天線密貼二襯表面行進(jìn)，確保測(cè)距輪保持轉(zhuǎn)動(dòng)；

（2）現(xiàn)場(chǎng)操作人員密切配合，確保天線實(shí)際檢測(cè)位置與標(biāo)記線位置相符；

（3）檢測(cè)天線移動(dòng)時(shí)應(yīng)保持勻速、穩(wěn)定，考慮儀器掃描速度與實(shí)際條件，檢測(cè)速度宜控制在3～5 km/h，如圖8所示；

圖8 探地雷達(dá)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

（4）現(xiàn)場(chǎng)記錄員要及時(shí)記錄測(cè)線號(hào)、方向、標(biāo)記間隔及天線類型等信息，隨時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生電磁波干擾的物體（如電纜、鐵架等）及其位置。

5.5 資料處理與檢測(cè)結(jié)果

5.5.1 資料處理

探地雷達(dá)探測(cè)的所有數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)記錄在計(jì)算機(jī)硬盤上，可回到室內(nèi)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。資料的處理與解釋分為2個(gè)階段：一是進(jìn)行探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，如增益、濾波等，提高數(shù)據(jù)信噪比；二是從雷達(dá)圖像上進(jìn)行巡視，確定標(biāo)志層與異常，分析異常處的相位特征、頻率特征等參數(shù)，并采用專用軟件對(duì)所確定的異常進(jìn)行標(biāo)注等。

5.5.2 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過資料處理與解釋，深圳地鐵5號(hào)線興留區(qū)間隧道襯砌探地雷達(dá)檢測(cè)可總結(jié)如下：

（1）檢測(cè)結(jié)果表明二次襯砌的平均厚度均大于設(shè)計(jì)厚度，基本滿足要求；

（2）少數(shù)地段襯砌后方存在空洞異常，深度約0～10 cm，需進(jìn)行適當(dāng)處理；

（3）少數(shù)地段存在欠挖現(xiàn)象，欠挖厚度約0～5 cm，在隧道日常維護(hù)中應(yīng)加以注意。

經(jīng)過抽樣驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相符。

6 結(jié)語

探地雷達(dá)是一種高科技無損檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高，在地鐵隧道的檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用，具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＬ降乩走_(dá)在地鐵隧道質(zhì)量檢測(cè)中需要有一定的異常識(shí)別能力，只有掌握不同病害的異常特征，才能充分發(fā)揮探地雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更好識(shí)別出地鐵隧道襯砌的病害，為隧道養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。