任永強　段興龍

摘要：近些年，探地雷達探測技術在礦產(chǎn)勘探、考古、巖土工程勘查、災害地質(zhì)勘探、工程質(zhì)量檢測、建筑結(jié)構檢測和軍事目標探測等領域得到了廣泛應用。隧道襯砌作為保證隧道長期穩(wěn)定性和耐久性的永久性結(jié)構，如果出現(xiàn)脫空、不密實等缺陷，將對隧道的安全性和耐久性產(chǎn)生重大影響，造成大量的人力物力浪費[1]。因此，在對隧道襯砌進行無損檢測時，可以快速準確地分析和處理襯砌缺陷，將大大降低后續(xù)施工和運營中的病害風險。本論述從工程實例中的隧道檢測入手，進一步分析和闡述探地雷達探測圖像特性，以提高雷達圖像的識別能力和分析精度。

關鍵詞：探地雷達；隧道工程；襯砌質(zhì)量

中圖分類號：TU470??????????????????????????? 文獻標志碼：A

1基本理論

1.1探地雷達基本原理

探地雷達由發(fā)射天線、接收天線、信號處理器等部分組成。雷達波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到地下目標或電參數(shù)（介電常數(shù)、電導率等）不同的物理界面，就會發(fā)生反射和繞射；雷達波在介質(zhì)中的傳播路徑、場強、波形會因介質(zhì)介電特性和幾何形狀而不同。因此，可以通過天線接收到反射波的往返時間、幅度和波形，對返回波進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實際工程地質(zhì)情況，確定地下構造分布界面或地質(zhì)體的空間位置、內(nèi)部結(jié)構[2-3]。如圖1所示，為探地雷達的工作原理。圖1中 x 為發(fā)射天線與接收天線的間距，m；D 為目標體的埋藏深度，m。

1.2電磁波傳播規(guī)律

探地雷達的電磁脈沖在介質(zhì)中的傳播速度為

式中，εr 為相對介電常數(shù)，c 為電磁波在真空中的傳播速度，ν為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

電磁波在物質(zhì)界面上的反射系數(shù)為

式中，R 為反射系數(shù)，εr 1、εr2為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

因為不同地質(zhì)體或結(jié)構物相對介電常數(shù)不同，對雷達波衰減作用也各不相同，雷達波穿過不同地質(zhì)體或結(jié)構物時傳播速度不同，故反射波強度也有所區(qū)別。當雷達波穿過介質(zhì)材料突變體時，反射波能量就隨之發(fā)生變化，通過該方法可快速高效確定地質(zhì)體或結(jié)構物的構造分布[4]。

對于隧道工程襯砌質(zhì)量檢測，雷達波主要經(jīng)過圍巖、襯砌混凝土、鋼拱架、鋼筋和空氣等介質(zhì)，不同介質(zhì)中雷達波的傳播和反射規(guī)律描述如下。

1.2.1? 混凝土

襯砌由初支與二襯組成。主要建筑材料均為混凝土，混凝土按配比充分振搗攪拌后，密實度良好，雷達波呈現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的圖像，同相軸也相對穩(wěn)定?；炷琳駬v不充分、澆筑不密實，則雷達波圖像呈局部雜亂狀?；炷翝仓軐嵍仍胶美走_波越連續(xù)穩(wěn)定，根據(jù)這一規(guī)律，混凝土密實情況可以借助混凝土層雷達波形圖分析來評價。

1.2.2 鋼筋與鋼拱架

除混凝土外，襯砌內(nèi)還包括鋼筋和鋼拱架。鋼筋和鋼拱架是良好的導體，雷達波在穿過它們時幾乎沒有衰減，當雷達波穿過襯砌混凝土與鋼筋、鋼拱架間的界面時，會發(fā)生全反射，接收到的反射波能量非常強，反應在雷達剖面圖上即為明顯異常。通常，雷達剖面圖上鋼筋、鋼拱架的特征圖形呈雙曲線，弧頂?shù)奈恢眉翠摻?、鋼拱架位置（如圖2～3所示）。

1.2.3 圍巖

與混凝土襯砌不同，圍巖巖層通常無規(guī)則，反射信號相對較弱。由于混凝土與圍巖相對介電常數(shù)差異較大，通?？梢愿鶕?jù)雷達剖面圖中層狀界面同相軸的位置來確定襯砌厚度。

1.2.4 空氣層

探地雷達檢測襯砌時，如果有空氣層，就會出現(xiàn)異常的反射波。由于雷達波在穿過空氣層時會折射，并且空氣的雷達波阻抗與圍巖和混凝土層的雷達波阻抗明顯不同，因此在雷達剖面圖中是相反方向的強烈反射波，波相為灰白相間[4]。

雷達波穿過襯砌時，會出現(xiàn)有規(guī)律的反射波，借助反射波雷達剖面圖可以分析、推斷其內(nèi)部結(jié)構。隧道施工過程中，襯砌往往容易出現(xiàn)不密實、空洞、厚度不足等質(zhì)量缺陷，這些缺陷均伴隨著介質(zhì)的變化，故可充分利用探地雷達進行襯砌質(zhì)量缺陷的無損檢測。在設置鋼筋、鋼拱架混凝土襯砌內(nèi)，根據(jù)辨識強烈的金屬反射信號，分析推斷襯砌內(nèi)部結(jié)構與鋼筋、鋼拱架的分布和數(shù)量等。

2探地雷達數(shù)據(jù)處理與分析

2.1數(shù)據(jù)采集

隧道襯砌檢測時通常布置5條測線，即拱頂、左右兩側(cè)拱腰、左右兩側(cè)邊墻位置。

采用 Impulse Radar 探地雷達600 MHz 屏蔽天線，對甘肅在建某隧道襯砌質(zhì)量進行檢測。其探測深度可達1.8 m，探測深度和精度均可以達到隧道襯砌質(zhì)量檢測要求，并能較準確分析襯砌實際厚度。如圖4所示，為探地雷達對隧道襯砌進行無損檢測的照片。

2.2數(shù)據(jù)處理

隧道襯砌檢測后，將采集數(shù)據(jù)導入Reflexw專業(yè)處理軟件，通過 move starttime（靜校正切除）、subtract- DC- shift（DC 去直流漂移）、energy decay（增益）、sub- tracting average（水平干擾消除）、bandpassbutterworth （帶通濾波）、running average（滑動平均）等步驟，去除雷達電磁波中有規(guī)律的或者隨機的干涉波，保留并凸顯有用雷達信號，提升雷達剖面圖像質(zhì)量、清晰度和可辨識度。通過對雷達反射波波形、振幅等辨識判斷，最終實現(xiàn)襯砌厚度、空洞、密實度的綜合分析。

2.2.1? 原始雷達采集信息（以K97+354-K97+336段為例）

隧道出口右線 K97+354-K97+336段拱頂原始雷達信號如圖5所示。

2.2.2? Move starttime（靜校正切除）

直達波是雷達檢測信號中的主要干擾源之一。通過靜校正切除直達波，找到被測介質(zhì)（襯砌）表面。如圖6所示，為 move starttime后的雷達圖像。

2.2.3? Subtract-DC-shift（DC 去直流漂移）

現(xiàn)場采集的雷達波信號原始數(shù)據(jù)通常包含偏離振幅零點基準線的子波，DC 去直流漂移就是消除偏離振幅零點的子波以及隨后的延遲振蕩[5]，確保子波振幅零點位于基準線上。

2.2.4? Energy decay（增益）

雷達波信號在介質(zhì)中傳播導致信號幅值不斷衰減，后期信號相對很弱。為了增強雷達波形圖的可視效果，清晰辨別分析雷達信號信息，需要通過 energy de- cay（增益）處理放大波形信號。如圖7所示，為 Sub- tract-DC-shift 與 energy decay 后的雷達圖像。

2.2.5? Subtracting average（水平干擾消除）

雷達波水平干擾信號在 energy decay 處理后皆被放大，為準確判斷分析結(jié)果，須消除放大后的雷達波水平干擾信號。

2.2.6? Bandpass butterworth（巴特沃斯帶通濾波）???? Bandpass butterworth（巴特沃斯帶通濾波）處理即保留低頻截止頻率與高頻截止頻率帶寬間的雷達波信號[5]。

2.2.7? Running average（滑動平均）

對選定的雷達波信號數(shù)據(jù)進一步 running average （滑動平均）處理，利用平均值替換所選數(shù)據(jù)，降低雷達波數(shù)據(jù)噪聲，平滑雷達圖像。如圖8所示，為完成處理后的雷達圖像。

3工程實例

3.1甘肅在建某隧道概況

甘肅某在建隧道按雙向四車道設計，隧址區(qū)高程3185.00～2943.00 m，相對高差242.00 m 。隧道左線最大埋深174.51 m，右線最大埋深182.70 m 。隧址區(qū)屬多個大地構造單元的交匯部位，斷裂、褶皺十分發(fā)育，構造形跡主要呈北西西向、北北西向展布[6-7]。斷層、褶皺附近巖體破碎，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，是隧道施工時最常見的不良地質(zhì)，因此施工難度較大，工程質(zhì)量管控須尤為重視。

現(xiàn)將該隧道實際檢測驗收過程中發(fā)現(xiàn)并及時解決的一些突出問題進行詳細分析。

3.2確定襯砌厚度

初支噴射混凝土與圍巖材質(zhì)不同，兩者相對介電常數(shù)值相差較大，因此初支與圍巖雷達反射波信號差異顯著，界限明顯。由于施工技術參差不齊，隧道開挖后圍巖表面均存在凹凸不平的現(xiàn)象，這就導致隧道初支與圍巖交界面呈高低不平的連綿形狀。

二襯與初支均為混凝土襯砌，其介電常數(shù)差異較小，若二襯與初支形成整體性較好，則不易在雷達圖像上反映出二襯與初支的分界面。當二襯中設置鋼筋、初支中架立鋼拱架時，它們均會產(chǎn)生強烈的雷達反射波，在雷達圖像上呈現(xiàn)出強烈且連續(xù)的反射圖像[8]。則可以根據(jù)鋼筋、鋼拱架反射波形成的明顯界限，推斷出襯砌厚度。如圖9所示，標出了二襯分界線。

如圖9所示，二襯有鋼筋段落根據(jù)二襯鋼筋反射圖像推斷出二襯厚度。紅線所標出的二襯厚度大致介于0.5～0.8 m ，滿足設計厚度0.5 m 的要求，但絕大部分段落二襯厚度均超出0.6 m，造成了材料的不必要浪費。另從圖9鋼筋雷達波形圖分析可見，該段二襯鋼筋保護層厚度控制極不均勻。圖10中二襯無鋼筋段落根據(jù)初支鋼拱架反射圖像推斷出二襯厚度。紅線所標出的襯砌厚度大致介于0.4～0.6 m，滿足設計厚度0.4 m 的要求。

3.3脫空

脫空分別包括隧道襯砌內(nèi)空洞，襯砌間空洞，襯砌與圍巖間空洞。襯砌內(nèi)空洞通常是因初支噴射混凝土或二襯混凝土澆筑不密實所致，空洞往往較小。襯砌間空洞主要是因為二襯與初支之間的防水板鼓包形成空氣夾層所致，或者是在澆筑二襯混凝土時，二襯臺車變形下沉，混凝土收縮形成空腔，這種原因產(chǎn)生的空洞，雷達波形圖像呈現(xiàn)為同相軸異常[8]。襯砌與圍巖間的空洞主要由于圍巖不穩(wěn)定，掉塊嚴重，后期未噴實，或者噴射混凝土過程中人為因素所致，空洞圖像也為同相軸異常。

如圖11所示，為拱頂初支與圍巖間的空洞，局部均存在強反射界面，內(nèi)部反射雜亂。

對圖11中雷達波形圖異常的段落現(xiàn)場鉆孔核查（如圖12所示），發(fā)現(xiàn)該段拱頂位置初支背部存在大面積空洞，空洞長5 m、寬2.5 m、深30cm。造成該段初支背部空洞的原因主要是施工單位監(jiān)管不到位，勞務人員對超挖部分視而不見，故意采取不正當噴射方法制造空洞。

3.4不密實

由于隧道襯砌施工技術的局限性，經(jīng)常會因一些原因?qū)е乱r砌混凝土澆筑不密實。襯砌混凝土不密實則強度降低、孔隙率變大且容易被水與風化侵蝕，在雷達圖像上，具體顯示為區(qū)域雜亂的強反射區(qū)域[8]。

如圖13所示，二襯混凝土配比不合理，含水率過大或混凝土振搗不充分，拱頂混凝土澆筑時產(chǎn)生氣泡，均可導致襯砌內(nèi)部不密實。襯砌不密實，強度降低，往往后期采用注漿處理。

4結(jié)論與建議

（1）探地雷達檢測隧道襯砌背部空洞、襯砌厚度較易實現(xiàn)，并且檢測速度快、效率高，適用于現(xiàn)場大面積連續(xù)快速檢測。

（2）由于隧道襯砌表面往往凹凸不平，雷達天線在檢測過程中隨著襯砌表面起伏，容易產(chǎn)生較大干擾信號。在檢測長大隧道時，累計的里程誤差往往會因為里程長而扭曲檢測結(jié)果。故在進行檢測工作時需特別注意盡量減少人為錯誤，提高檢測精度。

（3）建議除檢測單位之外，管理單位可創(chuàng)新性開展隧道探地雷達襯砌檢測工作，更準確可靠掌握隧道襯砌質(zhì)量缺陷，杜絕檢測單位檢測數(shù)據(jù)敷衍造假現(xiàn)象，規(guī)范檢測單位管理，有效提升隧道施工質(zhì)量。

5結(jié)束語

本論述通過簡述雷達波檢測原理，研究分析了不同材質(zhì)對電磁波反射情況的影響，明確了雷達信號處理方法和雷達剖面圖的分析辨識。借助工程實例，通過電磁反射波圖像分析確定襯砌中混凝土、鋼筋、鋼拱架等材質(zhì)的分布情況和襯砌內(nèi)部結(jié)構，判斷識別雷達波異常圖像，得到襯砌中具體質(zhì)量缺陷類別和精確位置，并形成對各種質(zhì)量缺陷、病害圖像特征的論證和總結(jié)，為工程檢測人員提供經(jīng)驗參考，為施工技術人員提供技術支持，以達到隧道襯砌施工質(zhì)量提升的目的。

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