地质雷达在高铁隧道检测中的应用

地质雷达在高铁隧道检测中的应用

程仕峰刘奇

山东广信工程试验检测集团有限公司

摘要：在隧道施工过程中，二次衬砌的质量决定了完竣工隧道的运行状态。在二次衬砌的施工过程中极易出现二衬脱空、不密实及二衬厚度不足等情况，待隧道完工和验收后，这将给运行过程中带来安全隐患。探地雷达是一种高效、低成本的高效地球物理方法，探地雷达无损检测技术能够快速有效地修复隧道二次衬砌中存在问题并能及时处理，显着提高了隧道施工质量，降低了隧道施工后的安全风险。

关键词：高铁隧道；地质雷达；养护维修；衬砌

隧道主体结构多为隐蔽工程，如何及时准确地发现隧道的衬砌质量缺陷成为了困扰建设单位的一大难题。在实际施工过程中，隧道中经常会出现衬砌与围岩不密实与脱空、衬砌厚度不足以及衬砌内出现裂缝、空洞和回填疏松地段积水、衬砌渗水、钢筋的分布与设计出现偏差等问题。由于这些问题的存在，必须对隧道衬砌质量进行检测，如果不及时发现并处理这些问题必将给隧道的运营带来极大的隐患。

1地质雷达工作原理

在隧道建设中，由于种种原因衬砌内可能会出现空洞或者脱空等不良病害，给隧道的运营带来隐患。为此，需要对隧道进行质量检测。探地雷达采用高频电磁脉冲波反射来探测目标体。它通过发射机天线在地下或目标上发射短波高频电磁波，并在被地下或目标体形成后反射回地面，并由接收天线接收。当电磁波在介质中传播时，路径，电磁波能量的强度和波形将不同于介质的电性能和几何形状。因此，根据行进时间，可以检测接收到的波浪的振幅和形状，地下介质或目标体的结构和结构以及目标体埋藏的深度。

探地雷达经过地面接收的信号通过模拟到数字处理传输到计算机，经过滤波和增益恢复后，进行一系列数据处理，形成穿透地面的图像雷达探测，地面雷达穿透是数据解释的基础图。目标与其周围介质之间的电气差异可以在穿透地面的雷达图像中看到。可以通过相同的相位轴检测来测量从目标体反射的波的传播时间。可以基于来自地下介质的电磁波的速度和反射波行程来计算物体的目标层。

探地雷达工作场所穿透地面是物体与周围介质之间明显的电气差异。介质中雷达波传播速度与介质电磁参数有近似关系，雷达波温度反映了与界面反射系数和穿透介质吸收水平相关的脉冲信号。

在现场探测中，有必要充分考虑地下雷达的分辨率，但所谓的探地雷达的分辨率是雷达区分多个物体和小物体的能力，这取决于脉冲宽度。也就是说，关于脉冲频率的设计，频带越宽，时域脉冲越窄。射线方向的空间分辨率强，波长越大，工作频率越高（波长越短），雷达反射波的脉冲波形越窄，分辨率越高。

在实际应用中，可以使用1/4波长作为显示垂直解的尺度。雷达穿透地面的最小异常体尺可以解决水平方向称为侧分辨率，这在很大程度上取决于介质吸收的特性。介质的吸收越强，介质越多目标中心和边缘之间的反射能量的相对差异，其侧面分辨率非常强。侧面分辨率还与脉冲波能量的分布和波在表面下不同方向上的扩散有关。不同的天线装置，目标电参数和检测到的物体的深度对侧面分辨率有影响。在实际工作中，应根据目标体的不同深度选择具有不同中心频率的天线进行检测。

2工程实例

雷达天线的选择由于隧道中复杂的探测环境，隧道中的电磁设备，电力电缆和金属物体会干扰地下雷达的探测。因此，在隧道衬砌检测中，通常使用屏蔽天线，但高频天线辐射高频，高精度，高分辨率的电磁波，但能量衰减快，检测深度相对浅是的。精度和分辨率相对较低，能量衰减较慢，但探测深度较深。因此，在选择隧道天线时，根据隧道混凝土的厚度和检查要求选择天线的频率，检测装置使用LTD-2100地下雷达，检测使用900MHz的屏蔽天线进行检测。

2.1测线布置

结合隧道的实际情况，定制下列检查方案：布置6条测量线，拱顶、左右拱腰、左右边墙以及隧底各布置一条测线，主要检测主钢筋网，衬砌厚度不足、二衬背后脱空和不密实的情况是否存在。

2.2检测结果

在对隧道的二次衬砌脱空、不密实的雷达检测过程中发现：隧道二次衬砌的总体质量较好，但是也存在一些质量问题，隧道中有多处脱空及不密实的缺陷存在。脱空一般指隧道二次衬砌与初期支护之间的空隙。在隧道建设中，脱空是最常见的问题之一，它的存在给隧道的安全运营带来巨大的安全隐患，也是隧道检测的主要任务之一。脱空的探地雷达的图像特征是衬砌界面上有强烈的反射信号，下部有明显的三层振动相和高反射界面。两个信号的信号时间差大，出现反射波，相邻通道之间发生相位对准，能量明显提高，隧道二次涂层不致密，主要发生在衬砌中，而形成的原因主要是：（1）混凝土施工比大于水比、混合物坍落度大、混凝土振动不封闭、混凝土下沉，混凝土收缩变形形成致密图像;（2）混凝土骨料含量过大，可加工性差，振动后发生偏析，使混凝土内部不致密。（3）当混凝土通过输送泵运输时，圆顶面上的混凝土在运输过程中，储存到了狭小空间内，使其无法有效的排放出来，造成混凝土凝固后存在狭小的缝隙。

2.3脱空区检测结果分析

隧道二次衬砌防水板脱空的雷达图像，该类缺陷主要位于拱顶处，拱腰也有发育。图像的主要特征为连续层状，位置在初支和二衬界面处。造成此现象的原因是由于喷射混凝土表面平整度超标凹凸不平的现象较为普遍，防水板铺挂时富余量过大，与喷射混凝土面不够密贴，在浇筑混凝土时防水板挤压发生褶皱，以及重力作用，造成二次衬砌与初期支护之间存在缝隙或空洞。

隧道板缝三角形脱空的雷达图像。此缺陷主要发生在两板二次衬砌浇筑接缝处，图像的主要特征表现为脱空界面具有一定的倾斜角度，常具三角形形状特征，产生此现象的主要原因是施工过程中板缝处下料不足、振捣不到位等所致。

2.4不密实检测结果分析

隧道二衬中的混凝土不密实雷达检测图像。此缺陷发生在二次衬砌内部，探地雷达图像表象特征主要是一定区域内反射信号振幅增强，波形杂乱，呈绕射弧状。局部发生不密实缺陷的主要原因是在隧道二次衬砌施工过程中振捣不到位所致。

3.结束语：

探地雷达技术由于高效、高精度、低成本的优势，而且具有很高的科学性和综合性，已广泛应用于隧道衬砌质量检测中，采用探地雷达的隧道二次衬砌检测质量，可为业主和施工方控制施工质量提供科学、准确的依据，消除安全隐患。做为当前我国建筑试验项目中使用的重要试验方式之一。同时，在运行期，也可以定期进行该项检测，保证隧道的安全使用和正常运营。随着探地雷达探测技术的不断完善和发展，探地雷达探测技术逐渐成为隧道施工质量安全的必要环节。

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