地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用

地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用

万韦华1潘龙2

1.江西省公路工程有限责任公司江西南昌330006;2.江西交通咨询公司江西南昌330000

摘要：地质雷达是一种利用高频电磁脉冲波反射原理来实现探测目的的工程探测技术，结合宁安高速隧道工程实际，阐述了地质雷达在高速公路隧道复合式衬砌质量无损检测中的应用，并对典型的雷达图像进行分析，得出隧道初期支护厚度、钢拱架数量以及二衬厚度、环向钢筋数量。现场使用结果表明地质雷达技术能够有效地运用于高速公路隧道质量无损检测之中。

关键词：地质雷达；隧道；复合式衬砌；无损检测

1引言

随着我国经济的不断发展，人们对于交通的需求日益提高。隧道作为高速公路穿越山岭的最优选择在近些年得到日益广泛的应用，而隧道在运营中出现的质量问题也屡见不鲜。如隧道在使用过程中常出现二砌裂损、厚度不够，初期支护拱架间距过大、数量不足，初支与原岩不耦合等问题，严重影响了隧道的正常使用，从而引起更大的安全问题。因此，对隧道进行全面质量检测显得尤为重要[1-3]。

目前，对于隧道质量检测多采用传统的方法，即开孔或开槽取样检测，该方法不仅效率低、代表性差、偶然性大，而且破坏了衬砌的整体性[4]。所以，人们一直在寻找一种高效、全面、快速的检测方法，使这些缺点能够得到解决。地质雷达法以其高分辨率、无损性、高效率和强抗干扰能力等优点，正逐渐成为隧道工程质量检测的一种有效手段[5-6]。

2地质雷达的工作基本原理

地质雷达作为一种无损检测技术，自上世纪70年代开始应用至今已有40多年的历史，在工程各个领域都有重要的应用，主要解决场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、地质超前预报和地质构造等问题。探地雷达的基本原理如下图1所示。地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象的。其探测过程如下：地质雷达通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲，此脉冲在向地下传播过程中遇到地下介质分界面时会产生反射。反射波传播回地表后被接收天线所接收，并将其传入主机进行记录和显示，每一测点接收到一道雷达波形，一条测线上全部测点的雷达波形排列在一起，形成完整的雷达剖面，经过资料的后处理，进行反演解释便可得到地下地层或目的体的位置、分布范围、埋深等[7]。

3地质雷达在工程实际中的应用

3.1工程概况

晓龙山隧道左线长1337m(ZK72+433～ZK73+770)，右线长1364m（K72+436～K73+800），晓龙山隧道场址区属低山丘陵地貌，地形起伏大，进洞口自然山坡坡度约为20～25°，自然山坡稳定，洞身最高点海拔约为500m，沟壑较发育，但宽度较小，切割较深且长，大多呈V型；沿线地表植被较发育，均为林区。

3.2参数设置

本次检测仪器采用美国GSSI公司研制的TerraSIRchSIR3000地质雷达。检测之前，必须根据具体地质情况，调节相应的参数（主要包括雷达天线中心频率、时窗和采样次数等），以达到仪器的理想状态。考虑到探测对象主要为隧道初支和二衬质量，检测对象为初支厚度，钢拱架间距和数量，二衬的厚度，钢筋间距和数量，所以本次检测采用400MHz中心频率的天线，测量方式采用连续测量。探测的时窗主要取决于探测的深度，考虑到本次探测主要为初期支护和二衬探测，检测深度在1m之内即可，则时窗可取为20ns。

3.3测线布置

根据规范要求及项目实施大纲，沿着隧道走向的三条测线，即拱肩两条（测线1、2）以及拱顶一条（测线3）。

3.4地质雷达探测结果

（1）初支厚度检测结果

由于围岩与初支混凝土介电常数差别较大，电磁波在围岩与混凝土界面传播时将产生较强反射信号，根据明暗层面可以很明显可以读出初支厚度的范围值。现场监测了三段四级围岩，设计类型S4，设计初值厚度20cm，实测初值厚度18~22cm，满足规范及设计要求。

（2）初支钢拱架数量及间距检测结果

由于钢拱架与混凝土介电常数差别很大，电磁波在混凝土与钢拱架界面传播时将产生强烈反射信号，在图像上呈现明显的月牙形。现场检测了16米，钢拱架设计间距1米，设计数量16根，现场检测结果和设计相一致。

（3）二衬厚度检测结果

由于围岩与二衬混凝土介电常数差别较大，电磁波在围岩与混凝土界面传播时将产生较强反射信号，可以根据明暗层面读出二衬厚度的范围。现场检测了三段五级围岩，设计类别S5，设计二衬厚度50cm，实际检测二衬厚度48~52cm，满足规范及设计要求。

（4）二衬钢筋数量及间距检测结果

由于钢筋与混凝土介电常数差别很大，电磁波在混凝土与钢筋界面传播时将产生强烈反射信号，因为间距很小，呈现密集的月牙形。现场检测了7.5米，设计钢筋间距25cm，设计钢筋数量30根，现场检测结果和设计一致。

结论

通过在宁安高速晓龙山隧道进行的多次地质雷达无损检测，得到了如下认识：

（1）地质雷达作为一种无损检测技术，相对于钻探取芯等检测隧道衬砌质量的方法，具有成本低，操作方便快捷，探测精度高，数据采集与处理集于一身，目标体等异常图像清晰且易于识别等特点，能有效检测出初支厚度，钢拱架间距和数量，二衬厚度，钢筋间距和数量。

（2）晓龙山隧道现场检测结果表明，检测部位拱顶测线及左、右拱腰测线初支和二衬厚度满足设计要求，测线部位衬砌层与原岩耦合良好。钢拱架间距和数量，二衬钢筋间距和数量满足设计及有关规范的要求。

参考文献：

[1]梁娜，沈文婷.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].土工基础.2013,27(2)：132-135.

[2]李二兵，谭跃虎.地质雷达在隧道工程检测中的应用[J].地下空间与工程学报,2006,2(2):267-270.

[3]王红良,张运良,安永林,彭立敏.地质雷达无损检测在隧道二次衬砌中的应用[J].铁道工程学报,2008,11:73-76.

[4]周文峰,雷宛,文华.地质雷达在纳叙铁路隧道衬砌检测中的应用[J].公路隧道,2009,66(2):48-50.

[5]彭建勋,张昊,梅保贤.地质雷达在高速公路隧道质量检测中的应用[J].山西建筑,2009,35(5):315-316.

[6]张亮国.地质雷达在工程检测领域的应用实例[J].技术应用研究,2007(5):51-52.

[7]路刚.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].隧道建设,2012,32(4):459-463.