地质雷达在铁路隧道仰拱检测中的应用

地质雷达在铁路隧道仰拱检测中的应用

廖振华

湖南中大检测技术集团有限公司湖南长沙410000

摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，铁路工程建设越来越多，尤其是高速铁路，隧道为高速铁路的重中之重，如何评价隧道衬砌质量尤其是隧道仰拱质量成为检测领域关注的焦点。近几年，地质雷达为铁路隧道仰拱质量验收的重要手段，值得深入研究。根据某铁路项目隧道实测波形图结合钻芯验证工作，阐述了地质雷达在隧道仰拱质量检测中的应用。

关键词：铁路隧道；地质雷达；仰拱

引言

近年来，随着我国高速铁路建设迅速发展，其中的隧道工程往往是控制性工程，对混凝土衬砌质量的检测提出了更高的要求。如何在施工过程中发现问题，并进行全面整治，以保证隧道衬砌质量和运行安全，采用地质雷达对隧道衬砌质量进行检测是一项重要手段。

1地质雷达概念解析

地质雷达是我国现阶段一种最为先进的电磁波勘探技术，该种技术的应用比较广泛，而且已经在较多的社会基础建设过程中得到了良好的应用。长此以往，相关领域的专家已经总结出了地质雷达的优秀特性，例如对于外部环境所产生的电流干扰、电磁干扰以及其他的一些环境干扰要素都起到了一定程度上的庇护和抗干扰作用。而且对于铁路隧道内部的一些构件来说，地质雷达也不会对探测对象造成相应的破坏。整个测量过程中会比较简单易操作，最终所能够得到的测量数据和结果也很清楚、直观，容易被从业者了解和分析。总的来说，地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测的过程中具有较多优势，对于尽可能地提升相关检测工作的工作效率也做出了巨大的贡献。因此，地质雷达在对于铁路建设过程中的隧道项目而言会对相关的工程质量做好提升工作，将已经出现的或者可能会存在的安全隐患进行及时的解决，从而进一步为铁路的运营创造良好条件。地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，在其进行实际工作的过程中，主要需要两根天线来进行信号的获取、传输和分析。这其中的一根天线用于向地下发射无载波电磁脉冲，另一端的天线则被用于接受从地下不同介质中经过界面反射所传递回来的电磁波。在这一过程中，电磁波作为主要的地质传播信号，会在经过相关介质的时候使得介质发生不同于本身的变化，而且相应的传播路径、电磁场的强度情况以及电磁波的波形都会随着所需要通过介质的电性以及目标体几何形态的不同而发生相应的变化。然后另一端的天线和介质又会根据已经进行过一半处理之后的、被再一次反射回来的信息进行接收和处理，从而更好地帮助工程队来探测铁路隧道衬砌质量建设提升过程中的地下层结构特征和埋藏的目标体。

2地质雷达检测隧道衬砌空洞的原理

地质雷达检测隧道衬砌是利用主频为105Hz至109Hz波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由衬砌表面通过天线发射器发送至隧道衬砌内部，经过衬砌内目标体(空洞等)或不同衬砌的界面反射后返回衬砌表面，被雷达天线接收器接收。通过对接收到的雷达信号进行处理和解释，从而达到探测隧道衬砌内目标体的目的。隧道衬砌均指的是复合式衬砌，由二衬、初支以及二衬与初支间的防水层组成。衬砌空洞有以下几点雷达波形特征:衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。除以上特征外，还可以结合衬砌界面反射信号平整性特征、反射信号上下部特征、衬砌厚度特征、衬砌中钢筋和钢架信号特征进行综合判识，分析造成空洞的原因。隧道衬砌空洞一般包括二衬内部空洞、二衬与初支之间空洞以及初支与围岩之间空洞等。

3数据采集及处理流程

3.1天线频率的确定

天线频率的选择，一般是根据现场的仰拱的深度来确定的，应该是在保证探测深度是检测要求深度1.5倍前提下，尽可能地增大采样频率以及样点数，提高检测结果的可靠性。例如瑞典X3M地质雷达中，一般情况下500MHz天线用于检测仰拱厚度及仰拱中钢筋数量及间距，250MHz天线用于检测仰拱厚度，但不能确定钢筋数量。当仰拱较厚时，500MHz天线就无法检查仰拱厚度及钢筋数量，而250MHz天线则可以检测仰拱厚度。

3.2数据分析解释

①判断衬砌背后的密实度及空洞。密实度：运用雷达检测法时，反射的信号幅度明显较弱，甚至并不会产生反射界面的具体信号；衬砌界面的强反射信号比较分散，成不连续的弧形反射。空洞：衬砌界面反射信号强，存在比较明显的三振相，在其下部存在强反射界面信号，两组信号时程差较大。②衬砌内部的钢筋、钢架具体分布及数量的判定依据。钢筋：雷达检测呈连续性双曲线较强的反射信号；钢架：分散的月牙形强反射信号。③衬砌厚度的确定。准确读取雷达记录的探测时间，依照公式（2）确定衬砌厚度：

式中：h表示衬砌厚度；v表示雷达波速；Δt表示电磁波的双程旅行时长。

3.3后期数据处理

数据处理的目的是尽可能抑制随机误差和有规律的干扰，提高雷达数据的分辨能力，尽可能地准确确定衬砌缺陷的位置和规模。常用的处理方法有：距离归一化减少由于天线速度不均匀带来的水平定位的误差；增益控制显示深部信号，抑制杂波的干扰；背景消除可以有效地消除随机噪声的干扰，提高雷达图像的信噪比；带通滤波去除高频信号的干扰，同时进一步消除背景噪声以及多次反射波的影响。

3.4特点总结

首先是针对于地质雷达本身来说，在进行铁路隧道衬砌质量检测时，操作简单、结果精确等特点有效地优化了相关的工作效果，高质量的地质雷达检验数据为工作人员提供了必备的基础。其次是地质雷达在进行铁路隧道衬砌质量检测时结合了宏观性的综合评判，将可能出现的问题作出了详细的分析和控制，满足各种设计要求。最后，对于一些电磁波衰减的现象来说，也能够有效地借助地质雷达处理软件中的反褶积等多种数学处理手段来控制结果的精确程度。

4地质雷达图像分析与解释

（1）密实区域。仰拱和填充混凝土介电常数差异较小，反射波信号幅度较弱，界面反射不明显，几乎没有；仰拱与基岩介电常数差异较大，反射信号同相轴，且分层现象比较明显，大致判定仰拱厚度为65cm。说明仰拱填及填充比较均匀，质量良好。在地质雷达分布的测线上随机选取一处进行钻芯验证，钻芯结果表明：混凝土芯样连续，完整，未见明显气泡、密实度好。（2）不密实区域。电磁波在不密实区域，会在混凝土和空气及异常体中发生多次反射，表现为信号同相轴不连续，错断，区域化分布。在上述仰拱雷达检测异常区域进行钻芯验证，钻芯结果表明：仰拱混凝土在40cm至仰拱底混凝土胶结较差，部分离析。（3）伪异常区域。经现场查看，异常区域位置为隧道仰拱两板交接处。对该位置进行钻芯验证，结果表明该位置混凝土密实，但在该位置出现了中埋式止水带。对于此情况要求检测人员现场检测时详细记录现场情况，以防误判。

结束语

综上所述，地质雷达无损检测在隧道仰拱质量检测中反映直观、结果准确，是一种快速有效、切实可行的有效检测方法。数据采集中应尽量避免干扰，确保数据质量的真实性和有效性，为数据解释做好准备工作。当仰拱厚度较大时钢筋和钢架数量及间距无法准确判定。隧道检测人员在现场检测时要详细记录现场情况，以防止误判。

参考文献

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