■　池毓偉（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州　350004）

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探地雷達(dá)技術(shù)在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

■池毓偉
（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350004）

摘要簡(jiǎn)要地介紹了探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)原理及組成，數(shù)據(jù)采集方式與測(cè)量參數(shù)的選擇和圖像特殊處理方式，總結(jié)了探地雷達(dá)隧道襯砌質(zhì)量一般信號(hào)判讀標(biāo)準(zhǔn)；用試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿⌒痉ㄟM(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果表明探地雷達(dá)數(shù)據(jù)精度高，誤差小。針對(duì)福建地區(qū)采用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)公路隧道襯砌質(zhì)量的典型雷達(dá)圖像進(jìn)行了分析，為工程質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞探地雷達(dá)公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)

1　引言

近年來(lái)，隨著高速公路建設(shè)規(guī)模日益增大和國(guó)省道改造升級(jí)日漸增多，新建公路隧道的規(guī)模、數(shù)量也逐年遞增。隧道工程作為隱蔽性工程，由于在施工過(guò)程受各種不利因素的影響，容易導(dǎo)致隧道襯砌質(zhì)量缺陷。而以往檢測(cè)人員在檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量時(shí)，通常使用穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法和鉆孔取芯法，但這三種方法都存在不同程度的弊端，也難以真實(shí)反映隧道的施工質(zhì)量。穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法工作效率低，無(wú)法連續(xù)測(cè)量；鉆孔取芯法工作量大、效率低下、代表性低，更有甚者，容易對(duì)防水層造成破壞，給日后運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了安全隱患。探地雷達(dá)技術(shù)作為現(xiàn)代地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域最新成果的結(jié)晶，不僅可以連續(xù)測(cè)量且具有不破壞性，是一種行之有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。本文結(jié)合自己的工程實(shí)踐，就探地雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2　探地雷達(dá)檢測(cè)原理及組成

2.1探地雷達(dá)檢測(cè)原理

探地雷達(dá)方法屬于電磁探測(cè)法，其主要原理是利用探地雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射和透射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線(xiàn)同步移動(dòng)的接收天線(xiàn)接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖像，通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性和幾何形態(tài)等情況。從而達(dá)到對(duì)隱蔽目標(biāo)體的探測(cè)。探地雷達(dá)檢測(cè)原理如圖1所示。

探地雷達(dá)工作時(shí)，由發(fā)射天線(xiàn)向地下介質(zhì)發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波，經(jīng)目標(biāo)體發(fā)射后返回地面，被接收天線(xiàn)所接收

電磁波行程時(shí)間（t）計(jì)算式為：

式中：Z——目標(biāo)體的厚度；x——發(fā)射、接收天線(xiàn)的距；V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

電磁波在介質(zhì)中傳播速度隨著介質(zhì)變化而變化。其傳播速度（V）：

式中：C——電磁波在真空中的傳播速度；εr——介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，μr——介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

圖1　探地雷達(dá)工作原理示意圖

電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到相對(duì)介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。界面電磁波反射系數(shù)（r）：

式中：r——界面電磁波反射系數(shù)；

ε1——第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；

ε2——第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

探測(cè)目標(biāo)體的厚度（Z）計(jì)算式：

式中：Z——目標(biāo)體的厚度；

t——電磁波行程時(shí)間。

2.2探地雷達(dá)的組成

探地雷達(dá)目前運(yùn)用到工程領(lǐng)域的種類(lèi)很多，然而其組成基本一樣，主要包括控制單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線(xiàn)、信號(hào)處理機(jī)、成像顯示設(shè)備和電源等。

3　探地雷達(dá)采集方式及測(cè)量參數(shù)的選擇

為提高檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性，數(shù)據(jù)采集方式與參數(shù)選擇是隧道工程質(zhì)量檢測(cè)重要關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。目前數(shù)據(jù)采集有多種方式，考慮到隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的特殊性，一般常采用點(diǎn)采集的方式，這種方式利用測(cè)量輪觸發(fā)天線(xiàn)控制開(kāi)關(guān)，可自動(dòng)、均勻、連續(xù)、高效地記錄數(shù)據(jù)。在進(jìn)行探測(cè)之前，除了需要確定合理的測(cè)量方法外，探測(cè)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，應(yīng)正確選擇測(cè)量參數(shù)，主要包括天線(xiàn)頻率、點(diǎn)距、時(shí)窗、采樣間隔、疊加次數(shù)、垂直分辨率和水平分辨率。

4　探地雷達(dá)圖像特殊處理方法

在檢測(cè)過(guò)程中，由于各種因素的影響，野外采集的原始數(shù)據(jù)文件采用常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法外，為提高雷達(dá)圖像分析的準(zhǔn)確性，對(duì)采集得到的雷達(dá)圖像進(jìn)行一些特殊處理。主要有以下方面：（1）水平及垂直高通濾波主要消除平直橫跳的系統(tǒng)噪音；（2）水平及垂直低通濾波主要消除高頻噪音；（3）反褶積濾波主要是增強(qiáng)垂直方向分辨率；（4）偏移濾波主要是消除繞射波和傾斜干擾波；（5）空間域?yàn)V波主要是增強(qiáng)傾斜界面信號(hào)。

5　探地雷達(dá)信號(hào)判讀

根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體不同所形成的信號(hào)具有顯著的特征，通過(guò)大量的實(shí)踐和總結(jié)，檢測(cè)公路隧道襯砌質(zhì)量一般信號(hào)判讀如下：

（1）密實(shí)：襯砌界面反射信號(hào)幅度較弱，甚至沒(méi)有界面反射信號(hào)。

（2）不密實(shí)：襯砌界面反射信號(hào)較強(qiáng)烈，同相軸錯(cuò)斷，波形雜亂，一般區(qū)域化分布。

（3）空洞：襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常不規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線(xiàn)波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大。

（4）脫空：襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈帶狀長(zhǎng)條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號(hào)。

（5）鋼筋網(wǎng)：連續(xù)的小雙曲線(xiàn)形強(qiáng)反射信號(hào)。

（6）鋼拱架：?jiǎn)蝹€(gè)的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)。

6　探地雷達(dá)檢測(cè)隧道驗(yàn)證結(jié)果

為確保探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果真實(shí)性和科學(xué)性，在隧道現(xiàn)場(chǎng)，制作隧道襯砌預(yù)設(shè)已知大小的空洞、脫空層、鋼筋網(wǎng)等試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，表明數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，結(jié)果可靠。并對(duì)福建地區(qū)選定5條高速公路不同隧道二次襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)鉆孔取芯檢測(cè)二次襯砌厚度，如表1所示，偏差率最大為1.0％，最小為0.5％，精度滿(mǎn)足要求。

表1　探地雷達(dá)檢測(cè)隧道二襯厚度與鉆孔取芯結(jié)果對(duì)比

說(shuō)明：用美國(guó)勞雷公司（SIR-30E）對(duì)隧道二襯厚度進(jìn)行檢測(cè)。

7　隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)實(shí)例

襯砌是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，也是隧道防水的重要設(shè)施，其施工質(zhì)量對(duì)隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用，因此，對(duì)隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)顯得十分重要。以下為福建某高速公路項(xiàng)目多座隧道襯砌質(zhì)量用美國(guó)SIR-30E并配置（100MHz～1500MHz）天線(xiàn)的探地雷達(dá)檢測(cè)工程實(shí)例。

7.1檢測(cè)內(nèi)容

利用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)公路隧道襯砌的內(nèi)容主要包括：隧道襯砌厚度；襯砌混凝土的密實(shí)程度；襯砌背后脫空層及空洞；施工時(shí)塌方位置及處理情況；鋼筋網(wǎng)、鋼拱架分布情況等。

7.2檢測(cè)方法

探地雷達(dá)用于隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)，對(duì)單洞雙車(chē)道隧道檢測(cè)時(shí)布設(shè)沿隧道走向的3條縱向測(cè)線(xiàn)，多車(chē)道時(shí)測(cè)線(xiàn)相應(yīng)增加，分布在隧道的拱頂（B測(cè)線(xiàn)）、兩側(cè)拱腰（A、C測(cè)線(xiàn)），如圖2所示。采用連續(xù)測(cè)量的方式，為保證探地雷達(dá)時(shí)間剖面各測(cè)點(diǎn)位置與實(shí)際檢測(cè)里程相對(duì)應(yīng)，在檢測(cè)時(shí)以測(cè)量輪跟蹤測(cè)量里程，并且在隧道邊墻每隔10m做一個(gè)里程標(biāo)記，以校正剖面上的里程樁號(hào)，檢測(cè)時(shí)，天線(xiàn)緊貼洞壁，保持勻速運(yùn)動(dòng)，以免人為產(chǎn)生假異常。

7.3典型雷達(dá)圖像分析

7.3.1隧道襯砌厚度檢測(cè)

探地雷達(dá)檢測(cè)某隧道襯砌層厚度部分剖面圖，如圖3所示。圖中二次襯砌混凝土、初期支護(hù)及圍巖的界面較為清晰，其中二襯砌混凝土厚度在35cm～39cm之間，初期支護(hù)厚度約為12cm，而在樁號(hào)K89+968處，初期支護(hù)厚度約為0cm。

圖2　某高速公路雙車(chē)道探地雷達(dá)隧道測(cè)線(xiàn)布置圖

7.3.2隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)與鋼拱架檢測(cè)

探地雷達(dá)檢測(cè)某隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)部分剖面圖，如圖4所示。從圖像上可以清晰看出有規(guī)律的連續(xù)的小雙曲線(xiàn)形強(qiáng)反射信號(hào)，其中較多突起的頂部表示每根鋼筋所在的位置，可以判讀每根鋼筋的具體位置和鋼筋間距。

圖4　某隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)測(cè)試圖

探地雷達(dá)檢測(cè)某隧道鋼拱架部分剖面圖，如圖5所示。從雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)出單個(gè)的月牙形突起為鋼拱架反射信號(hào)，可以判讀每榀鋼拱架的具體位置和鋼拱架間距。

圖5　某隧道初期支護(hù)中鋼拱架測(cè)試圖

7.3.3隧道襯砌連續(xù)脫空

探地雷達(dá)檢測(cè)某隧道拱頂部分剖面圖，如圖6所示。從圖中可清楚地看出，初期支護(hù)與二襯之間的脫空，在水平樁號(hào)K4+541m～K4+558m處雷達(dá)波的波幅反向，波的發(fā)射強(qiáng)烈。脫空層的厚度約20cm，呈現(xiàn)出連續(xù)的脫空異常。

圖6　某隧道拱頂襯砌連續(xù)脫空測(cè)試圖

7.3.4襯砌與圍巖間三角形空洞

探地雷達(dá)檢測(cè)某隧道襯砌部分剖面圖，如圖7所示。從圖中可清楚地看出，隧道襯砌頂部出現(xiàn)了典型的三角形空洞。在樁號(hào)K0+472m～K0+476m形成了三角形空洞，該空洞離隧道表面最淺處埋深約20cm。

圖7　某隧道砌與圍巖間三角形空洞測(cè)試圖

7.3.5鋼拱架后部存在的空洞

探地雷達(dá)檢測(cè)某隧道初期支護(hù)部分剖面圖，如圖8所示。從圖像可清楚地看出在鋼拱架后部存在2處異常，其中在樁號(hào)K6+937--K6+939和K6+943--K6+946處為空洞異常，離隧道表層最淺處埋深約20cm。

8　結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)技術(shù)作為一種高效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有高效率、高精度、高分辨率、成果直觀且連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)，探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)為工程質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了的可靠數(shù)據(jù)，在隧道質(zhì)量檢測(cè)工作中顯示出其無(wú)可比擬的作用。但由于在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)有很多的干擾因素存在，廣大檢測(cè)人員不斷研究和積累經(jīng)驗(yàn)，正確識(shí)別干擾，提高對(duì)雷達(dá)圖像異常狀況的正確判斷。在不久的將來(lái)，探地雷達(dá)技術(shù)將會(huì)在公路建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

圖8　某隧道鋼拱架后部存在的空洞測(cè)試圖

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