铁路工程中地质雷达经典图像分析

刘愿愿 张广斌 王伟 连晨龙

机械工业勘察设计研究院有限公司 陕西西安 710000

摘要：在经济快速发展的时代，铁路作为交通运输的极大组成部分，直接影响着社会的正常运行和人们的日常生活。近几年，铁路隧道失格率居高不下，准确评价隧道衬砌质量已经变成实现铁路实现跨越式发展的的关键组成部分。作为隧道衬砌无损检测目前最科学的手段，地质雷达为铁路隧道衬砌病害的探查和整治提供了科学依据，值得深入研究。本文结合隧道钻芯验证工作的成果，对地质雷达经典图像做出一些定量分析。

关键词：铁路隧道；地质雷达；衬砌空洞。

0 引言

由于隧道的地质条件复杂多变，施工人员水平参差不齐，同时隧道工艺流程较多，施工比较复杂，爆破、开挖、支护和衬砌有一个环节未达标，就有可能形成衬砌病害，影响隧道质量（申耀伟，2017）。地质雷达因其连续、无损、速度快、精度高的优点，已经逐渐发展为衬砌无损检测的主要探测手段。利用地质雷达，可以探测衬砌内以下有效信息：衬砌背后脱空情况及其规模；衬砌的厚度及是否存在欠挖；衬砌中钢筋和钢拱架的分布情况；衬砌背后回填的密实情况。掌握了隧道衬砌的病害分布情况及规模，可以有针对性的展开整治工作，也可以为日后隧道的运营和维修提供一定的依据（谢迎春，2017）。

本文选取一个在图像上不能得出直观结论且对衬砌厚度存在争议的实际雷达检测图像，对衬砌的参数做定量的判断，并结合钻芯成果进行验证该判断的正确性，为这类雷达图像的解释提供依据。

1 地质雷达法原理

地质雷达法以电磁波反射为原理，通过发射机把高频电磁波（隧道衬砌工作中主频一般为几百兆至上千赫兹）以宽频带短脉冲的形式发射入地下介质，该脉冲在地下介质中传播，在地下介质的电特性发生变化的地方发生反射，接收机接收相应的反射信号，记录它并把它显示在计算机屏幕上。通过连续的信号采集，在计算机屏幕上形成的地质雷达波形图或者灰度图，可以形象直观的反映出隧道衬砌的信息特征（薄会申，2006），如图1所示。

图 1 地质雷达原理图

1.1 影响地质雷达的介质参数

介质的电特性主要包含三个参数：介电常数 ，磁导率 和电导率 。在隧道衬砌检测工作中，一般不存在磁性很高的物体或者介质的干扰，所以磁导率 这个因素可以忽略不计。介电常数 决定了电磁波的传播速度，电导率 决定了电磁波的衰减速度和穿透深度。

1.2 衬砌厚度的确定

在地质雷达图形中，衬砌的厚度由地质雷达传播至衬砌界面所用的时间t和电磁波在混凝土中的传播速度v确定的。由于混凝土中介电常数 变化范围较大，导致电磁波的传播速度波动范围较广，因此在隧道中开展工作前，先对电磁波速度进行钻芯实测来标定。根据标定好的速度v，结合雷达图像中拾取的传播时间t，可以确定出衬砌厚度d=v*t/2。

1.3 影响地质雷达精度的因素

影响地质雷达精度的因素主要分为外部因素和内部因素。其中，内部因素主要来自仪器本身的噪声，影响不算很大。在隧道衬砌检测工作中，外部因素主要有以下三点：

一是测量过程中天线抖动。测量过程中地面颠簸，检测台车很难保持直线行驶，再加上天线和衬砌之间的摩擦力存在，天线在行进过程中经常发生倾斜或者局部轻微脱落，这也是最常遇到的干扰；二是大型机械所造成的干扰，这种干扰会降低信噪比，给数据解释带来困难；三是水的影响，特别是围岩条件较差的隧道，衬砌表面会有一层小水珠。由于水的介电常数远远大于空气和混凝土，会极大的降低地质雷达的数据采集质量。

2 数据采集及处理流程

2.1 天线参数的确定

天线参数的选择，一般是根据现场的衬砌参数来确定的，应该是在保证探测深度是检测要求深度1.5倍前提下，尽可能的增大采样频率以及样点数，以保证原始数据的真实、可靠、详细。增益以及滤波参数的选择，需要结合现场条件以及以往经验来确定。

2.2 现场数据采集

进行衬砌检测工作前，首先核对本次的检测里程范围以及墙上的标记是否清晰无误。开始检测时，应尽量保证检测台车平稳、匀速前进，检测速度不宜太快，随时记录好可能对电磁波传播造成干扰的物体和位置，以防后期误判。

2.3 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，尽可能的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；背景消除可以有效的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，具体处理流程如图2所示。

图 2 数据处理流程图

3 地质雷达图像解释

这种雷达图形常见于于衬砌与初至之间存在脱空，且脱空在垂直方向上范围较大，雷达剖面图如图3所示，单独某一道的波形图如图4所示

图 3 衬砌背后有大范围脱空的雷达图像

图 4 衬砌背后脱空的波形图

结合图3和图4可以看出，这种雷达图像有两个特征：一是背后可以看到明显的多次反射波的存在；二是和脱空左右两边的衬砌界面有很好的连续性。

3.1 衬砌厚度的确定

对于这种大范围的脱空，既有衬砌厚度一般情况下都会欠厚，准确的确定现有衬砌厚度对于缺陷病害等级分类和处理有实际的指导意义。

一般情况下，拾取首波和拾取缺陷的位置应该保持一致，比如说拾取首波时拾取的是起始零点，那么拾取缺陷的位置同样应该保持在起始零点。一般情况下，常用的位置由三种：起始零点，波峰和波谷，笔者建议选取起始零点作为拾取位置。由于介质的滤波作用，电磁波的波长会发生改变，如果拾取波峰和波谷，可能会扩大该种滤波作用的影响。

通过钻芯进行标定电磁波速度标定，该隧道的电磁波速度为0.1m/ns。同拾取直达波时保持一致，以缺陷的起始零点位置作为现有衬砌厚度值。由于混凝土的介电常数大于空气的介电常数，根据反射系数的定义，从混凝土中进入空气中电磁波为同相反射，具体拾取位置如图5所示。

图 5脱空顶界面反射波起始零点位置图

由图5可以看出，图3所示的脱空中，既有衬砌厚度是0.16m。

3.2 背后脱空范围的确定

由于脱空顶界面的影响，加上多次反射波的存在，以及其他一些干扰，一般情况下，准确判断脱空底界面有一定的技术难度。

但是当衬砌背后脱空范围较大，同时采集的数据质量比较高的时候，可以大概判断出脱空底界面的位置。

空气的介电常数远远小于混凝土介电常数，按照反射系数的定义，从脱空的空气中进入初至混凝土中是反相反射。选择最后一个波谷前的零点作为脱空底界面的反射波起始零点，有一定的误差，但是同时具备一定的参考价值，如图6所示。

图 6脱空底界面反射波起始零点位置图

由图6可知，该脱空底界面在反射波中的起始零点位置在0.46m的地方，背后脱空范围在0.30m左右。

3.3 钻芯验证成果

该处脱空由于隐患较大，使用地质雷达进行十字交叉定位，然后进行钻芯验证，结果如图7所示。

1. 既有衬砌厚度图

2. 衬砌表面至初至厚度图

图7 衬砌脱空钻芯结果图

由图7可知，既有衬砌厚度是0.16m，进一步验证了该隧道电磁波速的正确性，也说明了衬砌厚度判别方法准确有效。初至距离衬砌表面是0.45m，背后脱空0.29m，与上述确定的脱空范围0.30m仅有0.01m的误差，说明上述确定背后脱空范围的方法和实测结果在误差允许范围内，说明在衬砌背后脱空范围较大时，该方法可以用于判断衬砌脱空范围。

本缺陷所处的衬砌设计厚度是40cm，综上所述，虽然该处既有衬砌厚度不足，比设计厚度少24cm，但是该缺陷是由背后脱空引起的，不存在欠挖情况，采取注浆措施即可消除本缺陷。

3.4 脱空原因分析

衬砌背后脱空面积较大的缺陷，在水平方向的规模一般不会太大。且该段围岩是IV级围岩，初支中有钢拱架，初至界面应该比较平整，所以应该是衬砌施工中出现了问题。钻孔验证前推断是由两种原因引起的：1是泵压不足，且刚好遇到上坡隧道，在衬砌端头的时候混凝土因为压力不够不能到达有效位置引起的；2是防水板顶部悬挂不牢靠，浇筑混凝土时防水板下滑，导致防水板和初至不能紧密贴合引起的。

通过钻芯验证发现，防水板紧贴着衬砌背部，通过人力试图举起防水板时遇到极大的阻力，因此判断应该第二个原因引起的衬砌背后的空洞。因此开展地质雷达检测工作，对于隧道的后续施工也有一定的指导作用，可以将一些隐患排除在建设施工的阶段。

4结论

1、地质雷达无损检测在隧道衬砌检测中反映直观、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。

2、对于复杂的地质雷达图形，要学会应用处理前与处理后的单道数据波形图，尽可能多的从雷达图像中获取衬砌有效信息，同时结合钻芯验证工作，提供隧道衬砌准确有效的信息，为后续的缺陷整治奠定基础。

3、隧道检测人员应对隧道施工工艺、施工流程等有一定的了解，及时分析缺陷出现的原因并与建设方沟通，消除隧道隐患于未然，避免衬砌重大缺陷的多次出现。

参考文献

[1]申耀伟.2017. 地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用研究. 江西建材,16.

[2]谢迎春.2017. 地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用. 西部探矿工程, 29(1), 183-184.

[3]薄会申.2006. 铁路隧道衬砌质量检测与评价地质雷达技术实用手册. 北京:地质出版社.

[4] 曾昭发等.2010. 探地雷达原理与应用．北京: 电子工业出版社.

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