王 文 閆圓圓

（北京探創(chuàng)資源科技有限公司，北京 100067）

隧道的健康狀態(tài)影響著鐵路的運營安全和壽命，為確保隧道的運營安全，設備管理單位必須要對運營期隧道的狀態(tài)有十分清楚的了解和掌握。

針對隧道的檢測，國內外眾多相關工作者做了大量的科學研究和現(xiàn)場工作；杜勝[1]等通過大量工程實踐，研究不同天線頻率的地質雷達在鐵路隧道仰拱密實性檢測中的應用效果；楊志武[2]利用地質雷達對隧道典型病害進行現(xiàn)場探測并取得良好應用效果，表明地質雷達是無損檢測隧道脫空、不密實等典型病害的有效手段；肖秀明[3]等通過地質雷達在隧道和地鐵線中的檢測應用實例，闡述了地質雷達無損、高效和高分辨率的優(yōu)點；馬為功[4]等結合地質雷達檢測結果，進一步細化隧道襯砌缺陷的類型，為更準確的設計缺陷處理措施提供可靠參考依據(jù)；楊小波[5]系統(tǒng)論述了地質雷達在隧道無損檢測中的應用；程文濤[6]等詳細對比分析了襯砌脫空、襯砌欠厚、仰拱回填異常等典型隧道缺陷整治前后的雷達波形，便于后期施工及竣工驗收；薛鵬[7]結合某工程實例，探討地質雷達及超聲回彈綜合法在隧道工程中的具體應用；王石磊[8]等分析了國內外隧道檢測技術的研究及應用現(xiàn)狀，展望了未來隧道檢測技術的發(fā)展趨勢和研究方向，有助于更好建立適應于中國的運營隧道的檢測技術體系。

對于運營隧道，常會出現(xiàn)空洞、襯砌裂縫等質量缺陷，而這些缺陷通常很難檢測到。運用地質雷達探測方法，可準確獲得隧道襯砌質量的合格率。同時，根據(jù)地質雷達檢測結果解譯可對缺陷等級進行合理的劃分，為后續(xù)工程的施工質量提供可靠參考和技術依據(jù)。為掌握已運營10 年左右的某鐵路隧道的襯砌狀態(tài)，擬采用地質雷達對該隧道進行無損檢測，以評價其健全度并對可能存在的問題提出整治措施。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達主要是用于對地層、地質體或地上混凝土構筑物的內部結構進行無損檢測的技術。已知電磁波信號在介質中傳播時，當遇到介電常數(shù)相差較大的兩種物質界面時，會發(fā)生反射、透射和折射現(xiàn)象，根據(jù)這種原理，利用天線向目標地質體中發(fā)射寬頻帶的高頻電磁波，通過對接收到的反射信號能量進行分析可知，當兩種介質的電性差越大時，反射能量越大。使用專門的設備對反射波信號的運動特征進行記錄和分析處理，可得到全斷面掃描圖，通過對該圖件進行判讀，便可得出地下目標體的結構信息[9]，探測示意圖如圖1 所示。

圖1 地質雷達探測示意圖

根據(jù)以上原理可由以下公式計算目標體的位置：

根據(jù)測得的雷達波用時，自動計算目標體的位置深度z 和發(fā)育范圍x。

決定電磁波在介質中傳播深度的參數(shù)是電導率μ，在電導率值確定時，介電常數(shù)ε 決定傳播速度，由此可知，電磁波在傳播路徑中電性差較大的分界面也是傳播速度差異較大的分界面，當電磁波傳播時遇到這種分界面后，反射回波中會含有這種電性差信號。

基本參數(shù)包括：

（1）電磁脈沖波旅行時間

式中：z 是目標體位置深度；x 是發(fā)射與接收天線的距離（因z 遠大于x，因此忽略x）；v 是介質中電磁波波速。

（2）電磁波在介質中的傳播速度

式中：C 是真空中的電磁波波速；εr是介質的相對介電常數(shù)，μr是介質的相對磁導率（通常情況下μr約等于1）。

（3）電磁波的反射系數(shù)

電磁波在均勻介質中傳播時，路徑不發(fā)生偏折，當遇到介電常數(shù)有顯著差異的地質體時，波形發(fā)生反射或折射，反射波的能量隨電磁波的路徑改變而發(fā)生分配，這種能量分配的比例系數(shù)與介電常數(shù)改變界面的反射系數(shù)有關，公式如下：

2 檢測方案

2.1 工程概況

某運營隧道全長13468m，位于四川盆地東和湖北西之間交界的山區(qū)，構造侵蝕，中山陡坡地形，陡坎、懸崖分布廣泛。施工區(qū)結構構造復雜，圍巖多發(fā)育砂巖、泥巖、頁巖等；隧洞口和隧道主體斷層節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，主要不良地質有滑坡、巖堆、危巖落石、水平緩傾巖破碎巖層、瓦斯（天然氣）、斷層帶等，尤其以水平構造巖層、瓦斯天然氣、危巖落石最具代表性。

2.2 實施方案

2.2.1 測線布置

測線沿隧道走向方向布置，共布置7 條測線，具體位置分別為隧道左邊墻、右邊墻、左拱頂-1、左拱頂-2、右拱頂、左拱腰和右拱腰?，F(xiàn)場檢測測線布置示意見圖2。

圖2 隧道襯砌檢測雷達測線布置示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

人們會對采集到的初始圖像進行提高信噪比和突出目標信號的處理。一般對原始圖像會進行零時校正、增益、帶通濾波和偏移處理。具體流程如下：

（1）零時校正，以修正雷達系統(tǒng)時延，使地面反射信號基本處在零時刻的位置。

（2）增益，以補償電磁波在擴散傳播時的能量損耗，提高深處目標信號的辨識度，先后使用線性增益來補償波前擴散的振幅衰減，指數(shù)增益來補充電磁波能量在介質傳播過程中的損耗。

（3）帶通濾波，以抑制圖像中的低頻和高頻噪聲，此次使用通帶為800～1000MHz 的帶通濾波器。

2.2.3 結果解釋

解釋工作嚴格按照如下要求：

（1）在掌握測區(qū)內物性參數(shù)和襯砌結構的基礎上，應按由已知到未知和定性指導定量的原則進行解釋。

（2）結合施工現(xiàn)場情況，總結歸納周圍潛在的干擾源位置和原始圖件中目標體之間的位置關系，精確區(qū)分有意義的異常信息和干擾異常。

（3）應獲取信號往返所需時間的精準數(shù)據(jù)。

（4）最終解釋成果和雷達成果圖件應當符合襯砌質量檢測的要求。

具體解釋流程如下：

（1）襯砌厚度解釋

襯砌界面根據(jù)反射信號的強弱、頻率變化及延伸情況進行確定，見圖3。

圖3 襯砌與圍巖雷達反射剖面示意圖

如果襯砌比較密實，反射波信號幅值較弱甚至無信號返回；相應的，如果襯砌不密實，有孔洞存在，反射信號同相軸呈繞射弧形，不連續(xù)且較分散（見圖4）。

圖4 不密實雷達反射剖面

如果襯砌出現(xiàn)空洞，其反射信號強，三振相明顯，下部有強反射界面信號，兩組信號時程差較大（見圖5）。

圖5 空洞雷達反射剖面

3 檢測結果分析

3.1 襯砌厚度

根據(jù)襯砌設計厚度的不同分段，對整座隧道襯砌檢測厚度劃分30 段進行評定，統(tǒng)計每段各條測線檢測厚度的平均值、最大值和最小值（見表1），全隧襯砌合格率為94%。

表1 襯砌厚度檢測結果統(tǒng)計表

3.2 襯砌背后缺陷

通過對地質雷達圖像進行解譯，識別出該運營隧道共計207 處（見表2）缺陷、累計長4124.5m。

表2 襯砌缺陷統(tǒng)計表

3.3 整治建議

由雷達檢測結果知，該隧道存在一定程度的襯砌厚度不足、襯砌背后脫空或不密實等隧道典型缺陷病害。根據(jù)不同的缺陷類型，提出整治建議如下：

（1）襯砌厚度不足

針對局部襯砌厚度嚴重不足（<25cm），采用局部開窗方案進行整治；針對大面積襯砌厚度嚴重不足（<25cm），采用增設套襯方案進行整治。若是欠挖至襯砌厚度不足，開窗后需先處理欠挖再恢復襯砌結構。

（2）襯砌背后脫空

襯砌背后脫空常伴隨襯砌厚度不足，若襯砌厚度小于25cm，則參照襯砌厚度不足措施進行處治；當襯砌厚度大于25cm 時，則采用非收縮漿液進行充填注漿處理。

（3）襯砌背后不密實

針對襯砌背后不密實的部位及程度，若需結構修復或補強時，參照襯砌厚度不足措施進行處治；不需結構修復或補強時，則采用非收縮漿液進行充填注漿處理。

4 結論

4.1 結合運營隧道的特點，利用地質雷達高效率、高分辨率以及無損檢測的優(yōu)勢，安全、高效地完成運營隧道襯砌檢測工作。

4.2 通過數(shù)據(jù)分析和解譯，詳細列出該隧道襯砌所存在的襯砌厚度不足、襯砌背后脫空和不密實等典型隧道缺陷，為后續(xù)隧道缺陷整治提供技術依據(jù)，并分類分級提出了相應的整治措施建議。