齊法琳，賀少輝，江 波

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081;2．北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

地質(zhì)雷達作為工程物探檢測的一項新技術(shù)，具有連續(xù)、無損、高效和高精度等優(yōu)點，近年來已廣泛應(yīng)用于鐵路及公路隧道襯砌、路基病害和高速公路路面檢測，并取得良好效果。在既有線隧道襯砌檢測時，需采用升降平臺將操作人員抬升到較高位置，使操作人員能夠?qū)⒌刭|(zhì)雷達天線貼近隧道襯砌表面，檢測速度只能控制在3～5 km/h，并且一次僅能檢測一條測線，檢測速度不高，檢測效率較低。由于鐵路天窗時間有限，上述檢測方式不能滿足現(xiàn)場檢測需要。配置先進的地質(zhì)雷達隧道狀態(tài)檢測車，對鐵路隧道的技術(shù)狀態(tài)進行快速、準(zhǔn)確的檢測就顯得尤為迫切。

要采用地質(zhì)雷達檢測車進行檢測，需從兩方面對既有的隧道襯砌檢測模式加以改進:①將地質(zhì)雷達天線離開襯砌表面一定距離，以提高檢測速度;②安裝多個雷達天線，可一次檢測多條測線，以提高檢測效率。本文結(jié)合實尺模型試驗及現(xiàn)場試驗，對地質(zhì)雷達檢測的影響因素進行研究，為研制地質(zhì)雷達隧道狀態(tài)檢測車提供技術(shù)支撐。

1 試驗概況

為使試驗具有代表性，結(jié)合實尺模型試驗及現(xiàn)場試驗，采用不同地質(zhì)雷達廠家的不同頻率雷達天線和主機，對地質(zhì)雷達檢測的影響因素進行了研究。

1.1 實尺模型試驗

根據(jù)我國鐵路隧道模筑混凝土整體式和復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的形式和尺寸，按實際尺寸制作整體式和復(fù)合式襯砌試件模型，并設(shè)置襯砌背后空洞、回填不密實等典型病害，進行地質(zhì)雷達檢測試驗研究。

1.1.1 模型

為保證試驗?zāi)Ｐ团c實際隧道工程的一致性，專門委托具有隧道施工經(jīng)驗的施工單位進行加工。試驗?zāi)Ｐ桶ㄒr砌模型(圖1，分為整體式襯砌和復(fù)合式襯砌)和隧底模型(圖2)。

圖1 隧道襯砌模型(左側(cè)為復(fù)合式襯砌，右側(cè)為整體式襯砌)

圖2 隧底模型

襯砌模型長9.0 m，模擬了隧道襯砌內(nèi)部、背后空洞和回填不密實等病害。整體式襯砌和復(fù)合式襯砌矮墻均為一半素混凝土襯砌，一半鋼筋混凝土襯砌(復(fù)合式襯砌指的是二襯)。

隧底模型長6.0 m，寬5.0 m，模擬了隧底鋪底破碎和鋪底及仰拱均破碎兩種病害情況。

實際工程中，隧道襯砌地質(zhì)雷達檢測的測線布置一般以縱向為主，橫向為輔?？v向布線是在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧底各布1條測線。本次模型試驗布置4條測線，測線1和測線2檢測襯砌，測線3和測線4檢測隧底，見圖3。為了使試驗結(jié)果具有普遍性，采用的地質(zhì)雷達天線來自于幾個不同廠家。

圖3 測線示意

1.1.2 襯砌檢測

測線1檢測復(fù)合式襯砌，測線2檢測整體式襯砌，測線距離地面50 cm。主要完成了以下4種工況的檢測:

1)測線1以人工牽引方式，按地質(zhì)雷達天線距襯砌表面的距離分別為0(緊貼襯砌，見圖4)，10，20，30 cm共4種情況對復(fù)合式襯砌進行檢測。

圖4 天線緊貼襯砌表面

2)測線2以人工牽引方式，按地質(zhì)雷達天線距襯砌表面的距離分別為0，10，20 cm共3種情況對整體式襯砌進行檢測。

襯砌實尺模型試驗主要研究目的有:①離開被檢測物表面的距離對檢測效果的影響;②不同頻率的天線對檢測效果的影響。

1.1.3 隧底檢測

測線3和測線4分別布置于兩鋼軌外側(cè)。進行檢測時，為減少鋼軌對電磁波的干擾，天線離開鋼軌中心線約25 cm，距道砟頂面30 cm。檢測時以人工牽引方式，沿兩條測線分別往返檢測各3次，見圖5。

圖5 模擬隧底檢測

隧底實尺模型試驗的主要研究目的有:①天線類型(普通屏蔽天線和空氣耦合天線)對檢測效果的影響;②不同頻率的天線對檢測效果的影響。

1.2 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗在北京鐵路局良陳線2號隧道進行。良陳線2號隧道于1968年建成，全長986.2 m，襯砌為整體式混凝土及噴射混凝土襯砌。采用不同廠家、不同頻率天線的地質(zhì)雷達進行了隧道襯砌和隧底檢測，見圖6和圖7。

圖6 現(xiàn)場非接觸式檢測襯砌(距離30 cm)

圖7 現(xiàn)場隧底檢測

試驗內(nèi)容見表1?，F(xiàn)場試驗的主要研究目的有:①不同頻率的天線對檢測效果的影響;②離開被檢測物表面的距離對檢測效果的影響;③不同檢測速度對檢測效果的影響。

表1 試驗內(nèi)容

2 檢測結(jié)果分析

2.1 天線頻率對檢測結(jié)果的影響

通過對不同頻率天線測試的襯砌雷達圖的對比可以看出，天線頻率是決定分辨率的重要參數(shù)。在其他條件相同的情況下，頻率越高分辨率越高，探測深度越淺。比如，采用900 MHz天線時可以識別出的空洞(圖8(a)中空洞12)，由于體積較小，采用400 MHz天線就很難識別出來(圖8(b)中沒有明顯的顯示)。

2.2 天線類型對檢測結(jié)果的影響

在模型試驗中，分別采用400 MHz屏蔽天線和空耦天線對隧底進行了檢測。隧底中人為設(shè)置了一段有裂損的鋪底。從檢測結(jié)果來看，采用400 MHz空耦天線進行隧底檢測所得到的雷達圖層位清晰，病害明顯，較普通屏蔽天線檢測效果理想，見圖9。

圖8 兩種頻率天線雷達圖對比(5 km/h)

圖9 鋪底裂損不同天線檢測雷達圖對比

2.3 天線離開襯砌表面的距離對檢測結(jié)果的影響

模型試驗采用400 MHz屏蔽天線，研究了天線離開襯砌表面不同距離對檢測結(jié)果的影響。分析復(fù)合式襯砌模型試驗結(jié)果，可以看出:

1)所有工況雷達圖上都能找出襯砌(包括初支，二襯)的層位，確定出的襯砌層厚度與實際情況吻合。

2)所有工況雷達圖上都能找出全部病害，病害的位置、范圍都比較接近，并與實際情況一一對應(yīng)。

3)天線底面與襯砌表面密貼時以及離開10 cm時的雷達信號都只用進行增益處理就能形成清晰的雷達圖，而離開20 cm和30 cm的雷達信號都需經(jīng)過水平去背景、垂向濾波、增益處理才能形成可以判識的雷達圖，而在離開30 cm以上距離時，雷達信號弱，增加了判識難度，影響檢測效果。

在現(xiàn)場試驗中，分別采用了 900，600，500，400 MHz天線，也得到了與上述同樣的結(jié)論。

2.4 檢測速度對檢測結(jié)果的影響

現(xiàn)場試驗在采樣速率滿足要求的條件下，采用400 MHz屏蔽天線分別進行了不同速度的襯砌非接觸式檢測試驗，通過對不同檢測速度下的檢測效果對比分析得出:①檢測速度在25 km/h速度以內(nèi)時，雷達圖像均較清晰，病害及異常的位置一致;②當(dāng)速度超過30 km/h時，一些體積比較小的異?？赡茉诶走_圖上顯現(xiàn)不出來。

3 結(jié)論

本文通過實尺模型試驗和現(xiàn)場試驗，研究頻率、天線類型、天線離開襯砌表面的距離和檢測速度對檢測結(jié)果的影響，為優(yōu)化隧道襯砌地質(zhì)雷達檢測技術(shù)參數(shù)，研制隧道狀態(tài)檢測車提供了技術(shù)支撐。根據(jù)試驗研究結(jié)果，可以得出如下結(jié)論:

1)地質(zhì)雷達檢測能夠科學(xué)地檢測隧道的病害，特別是對襯砌厚度、空洞、回填不密實等有著其他檢測方法所不能比擬的分辨率高、經(jīng)濟、快速的優(yōu)勢。

2)原則上，普通屏蔽天線可以用于非接觸式檢測襯砌，但離開襯砌表面的距離以不大于20 cm為宜。當(dāng)天線距離檢測目標(biāo)表面距離超過30 cm時，使用空耦天線檢測效果更理想。

3)在掃描速率足夠高的前提下，在一定速度范圍之內(nèi)，檢測速度不會影響檢測結(jié)果，但隨著檢測速度的增加，雷達圖的清晰度有所下降，干擾信號有所增加。

4)采用高頻和中低頻天線組合方式可以達到最佳檢測效果，高頻天線利于襯砌內(nèi)鋼筋和淺層部位的檢測，中低頻天線利于深部圍巖的檢測。

［1］李大心．地質(zhì)雷達方法與應(yīng)用［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994．

［2］楊峰，彭蘇萍．地質(zhì)雷達探測原理與方法研究［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．

［3］朱海城．地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在寒冷地區(qū)客運專線隧道工程中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2012(6):86-88．

［4］申耀偉，尤哲敏．高鐵運營隧道襯砌質(zhì)量地質(zhì)雷達檢測技術(shù)［J］．鐵道建筑，2012(12):57-60．

［5］鐵道部運輸局基礎(chǔ)部．鐵路隧道檢測技術(shù)手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2007．