探地雷達(dá)檢測(cè)水損壞后隧道仰拱完整性

使用探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）技術(shù)評(píng)估地鐵隧道的狀況。試驗(yàn)采用雙頻200 MHz和600 MHz天線，并以平行和垂直布置形式，以確定適用性好、穿透深度大且能有效排除附近金屬干擾的最佳參數(shù)設(shè)置。結(jié)果表明，600 MHz天線在調(diào)查深度和圖像清晰度方面表現(xiàn)更好，雙極化能夠抑制金屬干擾。從GPR數(shù)據(jù)中推導(dǎo)元素厚度與實(shí)際厚度的數(shù)值比較表明，實(shí)際值與測(cè)量值間差異不超過10%。

地鐵隧道； 無損檢測(cè)； GPR

U456.3+3A

［定稿日期］2023-07-11

［作者簡(jiǎn)介］陳敏（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事城市軌道交通建設(shè)管理工作。

0 引言

地鐵隧道是現(xiàn)代城市中重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其結(jié)構(gòu)健康的評(píng)估對(duì)于保障乘客安全和提高運(yùn)營(yíng)效率至關(guān)重要［1-2］。然而，長(zhǎng)期使用和外部環(huán)境因素可能導(dǎo)致隧道狀況的惡化，其中水滲透是一個(gè)常見的問題。因此，準(zhǔn)確評(píng)估地鐵隧道的狀況和確定潛在的問題區(qū)域成為了一個(gè)重要課題。

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）技術(shù)作為一種非破壞性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的調(diào)查方法，已被廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)的評(píng)估和監(jiān)測(cè)［3］。劉恩軍等［4］對(duì)礦山法施工隧道襯砌可能出現(xiàn)的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)、隧道圍巖欠挖及二襯厚度不夠等病害探地雷達(dá)圖像特征進(jìn)行分析，總結(jié)各種病害的的異常特征。徐從杰等［5］研究表明對(duì)于地鐵隧道結(jié)構(gòu)襯砌厚度、襯砌脫空、襯砌不密實(shí)及襯砌后圍巖地質(zhì)情況檢測(cè)工作，在結(jié)果準(zhǔn)確度方面，車載探地雷達(dá)可以達(dá)到人工探地雷達(dá)檢測(cè)的效果，同時(shí)在信號(hào)連續(xù)性和清晰度方面具有較好的優(yōu)勢(shì)。但吳文豐［6］認(rèn)為地下水浸透隧道襯砌，干擾了探地雷達(dá)的檢測(cè)效果。探測(cè)深度遠(yuǎn)低于40 cm的目標(biāo)，沒有達(dá)到測(cè)試整個(gè)隧道襯砌的可靠性要求。本文旨在探討GPR技術(shù)在地鐵隧道狀況評(píng)估中的應(yīng)用，并探究客服地下水對(duì)探地雷達(dá)的干擾，使探測(cè)深度提高到100 cm以上。研究采用了不同的GPR設(shè)備配置，并通過初步測(cè)試選擇了最佳的設(shè)備設(shè)計(jì)，以準(zhǔn)確測(cè)量隧道地層的厚度變化。通過采集和處理GPR數(shù)據(jù)，研究得出了隧道底板厚度的幾何描繪結(jié)果，并與直接鉆孔的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了GPR技術(shù)在提供準(zhǔn)確和可靠的隧道狀況信息方面的優(yōu)勢(shì)。

本研究的成果為地鐵隧道工程和維護(hù)領(lǐng)域的專業(yè)人員提供了一種先進(jìn)的工具和方法，以評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況并制定相應(yīng)的維護(hù)策略。通過應(yīng)用GPR技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的快速、非破壞性調(diào)查，提高運(yùn)營(yíng)效率和乘客安全。因此，本文的研究結(jié)果對(duì)于提升地鐵隧道狀況評(píng)估的準(zhǔn)確性和可行性具有重要意義，同時(shí)為GPR技術(shù)在城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)和評(píng)估中的應(yīng)用提供了有力支持。

1 工程概況

某地鐵是一條受到地下水位上升影響比較嚴(yán)重的地鐵線路。主要是由于該地區(qū)地下水資源豐富，地下水位相對(duì)較高，且地鐵線路穿越的區(qū)域水系豐富。隧道底板因直接與周圍土壤和地下水接觸，受到最嚴(yán)重的損害。

地下水位上升除了對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，這種狀況還使地鐵列車運(yùn)營(yíng)相關(guān)存在重大安全隱患。如果水位達(dá)到軌道水平，信號(hào)盒和設(shè)備雖然在一定程度上可以在潮濕條件下運(yùn)行，但長(zhǎng)期浸泡在水中極易發(fā)生故障。調(diào)節(jié)列車速度和位置至關(guān)重要的信號(hào)或電氣系統(tǒng)受到水損壞可能導(dǎo)致地鐵臨時(shí)停運(yùn)。即使水沒有使列車停止運(yùn)行，但列車在通過受影響區(qū)域時(shí)仍需降低運(yùn)行速度以防止損壞，從而導(dǎo)致延誤。

從原始圖紙中提取出的考慮的隧道橫截面如圖1所示，同時(shí)還提供了主干道下部的示意地層。仰拱的厚度為50 cm，而上方填充的混凝土延伸到段的頂部，大約為55 cm。因?yàn)樗淼赖装迨窃谑┕み^程中直接澆筑，所以從軌道水平到周圍土壤界面預(yù)計(jì)總共存在10 cm的厚度。

為了對(duì)結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行首次初步檢查，提取了一個(gè)樣本，如圖2所示。樣本結(jié)果顯示了高度受損的情況，隧道底板的厚度已經(jīng)減少到原始設(shè)計(jì)的大約五分之三?；谶@些結(jié)果，有必要明確確定厚度分布，以評(píng)估隧道主干道的完整性。

2 參數(shù)設(shè)置研究

2.1 干擾因素

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)下列環(huán)境因素會(huì)影響GPR測(cè)量結(jié)果：

（1）鐵軌使GPR平臺(tái)不能直接接觸平面，干擾了耦合過程的效率，也削弱了能夠有效傳播到地下的能量。

（2）該區(qū)域尤其是在上部結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)金屬反射體，不僅影響了所獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量，還影響了達(dá)到隧道底板的可能性。

（3）構(gòu)成材料之間的相似性可能限制了電磁阻抗對(duì)比度，從而限制了兩個(gè)元素之間界面的可檢測(cè)性。

（4）多個(gè)雙曲線反射可能嚴(yán)重降低GPR圖像的清晰度，而高金屬含量的存在將嚴(yán)重降低穿透能力。

2.2 參數(shù)設(shè)置

為確定能夠滿足穿透和分辨率要求的GPR系統(tǒng)參數(shù)，即能夠達(dá)到隧道底板（基準(zhǔn)為110 cm）并檢測(cè)到最小厚度為10 cm的數(shù)值。沿軌道外側(cè)進(jìn)行了10 m長(zhǎng)GPR剖面測(cè)量。

為了解決分辨率、測(cè)量深度和圖像清晰度之間的問題，對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試：（1）系統(tǒng)頻率和帶寬：設(shè)備的中心頻率分別為200 MHz和600 MHz，帶寬分別為100～300 MHz和300～900 MHz；（2）系統(tǒng)極化方式：平行于軌道方向和垂直于軌道方向的極化方式。首先，使用兩臺(tái)由IDS GeoRadar s.r.l提供的雙頻GPR設(shè)備安裝在一個(gè)PVC滑臺(tái)上。該設(shè)備是一種沖擊式設(shè)備，配備了兩對(duì)天線，分別間隔10 cm和19 cm，用于600 MHz和200 MHz頻段。每個(gè)天線重約6 kg，尺寸為40 cm×50 cm。具體采集參數(shù)如表1所示。

每個(gè)設(shè)備具有特定的極化配置，如圖3所示。前方設(shè)備始終與測(cè)量方向平行，而滑臺(tái)末端的設(shè)備則是垂直正側(cè)向極化。這種設(shè)計(jì)旨在驗(yàn)證哪種配置能夠避免由于隧道中存在金屬材料而產(chǎn)生的噪聲和干擾，以最大限度提高圖像可讀性。

2.3 GPR參數(shù)優(yōu)選

圖4和圖5給出了200 MHz和600 MHz的測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)結(jié)果分析，檢查深度可達(dá)150 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基準(zhǔn)的120 cm，因此兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量深度都能夠達(dá)到所需值。然而，從分辨率的角度來看，600 MHz參數(shù)設(shè)置的雷達(dá)圖更清晰，可以提供更高的分辨率。通過比較圖5和圖6，可以看出200 MHz低頻設(shè)備無法保證檢測(cè)到位于地表以下與軌道方向垂直對(duì)齊的鋼筋層。因此，綜合考慮測(cè)量深度和分辨率要求，使用600 MHz設(shè)備進(jìn)行GPR測(cè)量是更合適的選擇。

平行極化配置（VV配置）成功地最小化了加固鋼筋和周圍金屬干擾的影響，檢測(cè)圖像清晰度更高。如果將分析焦點(diǎn)放在40～80 cm的深度范圍內(nèi)，可以清晰地看到混凝土填充物的底部和隧道底板的頂部。然而，在使用垂直極化配置（HH配置）得到的剖面中，這些特征幾乎完全被加固鋼筋的高幅值所掩蓋。但不可否認(rèn)的是，HH極化的回波強(qiáng)度通常大于VV極化，因此推薦雙極化方式。

加固鋼筋和隧道底板之間的物理分離或具體施工差異可能導(dǎo)致這些特征在雷達(dá)結(jié)果中的清晰可見性。水的存在也可能導(dǎo)致分離特征更明顯。由于底部段的飽和條件，水分可能在隧道底板和混凝土填充物之間產(chǎn)生更明顯的阻抗對(duì)比，或者填滿兩者之間的空脫離間隙。無論是哪種情況，其結(jié)果都是強(qiáng)烈的反射事件，能夠觀察到兩個(gè)特征之間的界面。GPR測(cè)試的厚度與實(shí)際厚度之間的差異約為0.03 m，這說明GPR檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。另外，從圖5中還可以觀察到隧道底板的厚度明顯減小，與實(shí)際鉆芯取樣的調(diào)查結(jié)果一致。

綜上所述，最佳的系統(tǒng)配置是使用600 MHz的工作頻率以確保穿透深度和分辨率性能，并采用垂直極化配置（HH配置）進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換，平行極化配置（VV配置）進(jìn)行正確識(shí)別和描繪隧道結(jié)構(gòu)的幾何屬性。

3 實(shí)地測(cè)量

3.1 GPR檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)初步測(cè)試的結(jié)果，選擇了雙極化測(cè)量方法。數(shù)據(jù)采用與表1相同的參數(shù)進(jìn)行采集，并沿著650 m長(zhǎng)的剖面進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法如前所述。

根據(jù)GPR剖面推斷的結(jié)果，隧道地層的幾何描繪呈現(xiàn)在圖6中。從結(jié)果中可以驗(yàn)證隧道基底完整性降低的推斷，并觀察到隧道底板的厚度值在0.5 m（對(duì)應(yīng)未受損隧道的原始厚度）到0.1 m之間變化，這種情況持續(xù)了約180 m。

另一方面，最受損的區(qū)域位于兩個(gè)幾乎保持原始厚度的區(qū)域之間，這可能表明了水涌入的主要通道。整體而言，可以觀察到高度不規(guī)則的分布模式和整體厚度的減小。值得注意的是，混凝土填充層厚度與原始設(shè)計(jì)幾乎沒有變化，這表明水流繞過填充物而非穿過混凝土填充物。

3.2 GPR檢測(cè)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，在650 m長(zhǎng)的隧道段上選取9個(gè)鉆芯點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)量實(shí)際值并與檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比結(jié)果如表2所示。鉆芯結(jié)果證實(shí)仰拱結(jié)構(gòu)厚度非均勻變化，這種非均勻變化與GPR結(jié)果中檢測(cè)到的厚度變化一致。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以看出測(cè)量值與從GPR結(jié)果估計(jì)的值之間的差異不超過10%，證明了使用GPR檢測(cè)混凝土填充物及仰拱厚度的方法具有可信度。此外，值得注意的是，從GPR數(shù)據(jù)中可以提取的隧道狀況惡化信息幾乎無法通過其他調(diào)查技術(shù)（直接和間接）以相同的一致性和準(zhǔn)確性進(jìn)行獲得和驗(yàn)證。這進(jìn)一步證明了GPR在評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)的有效性和獨(dú)特性。

4 結(jié)論

（1）200 MHz與600 MHz都具有180 cm左右的檢測(cè)深度，且600 MHz參數(shù)設(shè)置檢測(cè)結(jié)果分辨率更高。200 MHz低頻設(shè)備無法保證檢測(cè)到位于地表以下與軌道方向垂直對(duì)齊的鋼筋層。

（2）雙極化能夠抑制金屬干擾，從GPR數(shù)據(jù)中推導(dǎo)的元素厚度與實(shí)際厚度的數(shù)值比較表明，實(shí)際值與測(cè)量值之間的差異不超過10%。

（3）本研究的成果為使用GPR技術(shù)評(píng)估地下結(jié)構(gòu)完整性提供了有力支持，為隧道工程和維護(hù)領(lǐng)域的專業(yè)人員提供了一種非破壞性、高效和準(zhǔn)確的方法，以評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況并制定相應(yīng)的維護(hù)策略。

參考文獻(xiàn)

［1］ 董飛，房倩，張頂立，等.北京地鐵運(yùn)營(yíng)隧道病害狀態(tài)分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2017，50（6）：104-113.

［2］ 韋文瑜.超聲波和探地雷達(dá)對(duì)隧道襯砌病害檢測(cè)效果研究［J］.鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2023，29（2）：36-39.

［3］ 閆永峰.探地雷達(dá)在水利工程隧道襯砌脫空質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.廣東水利水電，2023，324（2）：15-19.

［4］ 劉恩軍，馮強(qiáng)，余海忠.地鐵隧道襯砌病害探地雷達(dá)圖像特征分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2022（4）：41-45.

［5］ 徐從杰，陳陽，司小東，等.運(yùn)營(yíng)地鐵隧道車載探地雷達(dá)襯砌檢測(cè)適用性研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：627-634.

［6］ 吳文豐.無損檢測(cè)方法在單殼隧道襯砌中的實(shí)際應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2023，566（4）：139-143.