地质雷达在某公路隧道衬砌检测中的应用

地质雷达在某公路隧道衬砌检测中的应用

耿吉正 彭贵富

云南航天工程物探检测股份有限 云南昆明 650217

摘要：改革开放以来，我国综合实力不断提升，基础设施建设力度也在一直加大。其中，交通建设规模日益扩大，而公路隧道更是近年来大力发展的交通运输方式。隧道衬砌作为防止围岩变形坍塌的手段应当具有足够的强度以及耐久性。因此，隧道衬砌的施工质量应该严格把控，以确保隧道的运营安全、结构性能和使用寿命。在隧道衬砌施工时，有几种施工质量问题在实际工程中经常发生，例如: 二次衬砌的厚度不能满足实际工程要求，钢筋或者钢拱架数量不足以防止围岩产生较大变形，衬砌与围岩之间接触不够密实。地质雷达检测施工衬砌是利用不同探测介质之间性质的差异性，接收反射回来的电磁波并形成图像，进而分析衬砌施工质量。该方法检测效率相对较高，准确率也还不错，操作较其他检测方法简单，因此，在实际工程中，经常被用来检测隧道衬砌质量问题。

关键词：地质雷达，公路隧道，衬砌质量检测

引言

地质雷达技术是根据电磁理论而产生的。电磁理论和电磁波有一定的传播规律，人们了解了这种规律从而研发出了地质雷达技术。根据电磁波的传播速度和它的使用原理研究出了地质雷达，地质雷达的使用原理可以指导在公路隧道检测中的数据分析。合理设置雷达探测参数，对于检测数据要进行合理分析和处理，对实验数据进行精确的分析，这样才能使地质雷达技术有所提高，当它在公路隧道检测中时，才能够更加准确分析建筑状况，这篇文章提高公路隧道施工质量为出发点分析了地质雷达的特征和优点。

1地质雷达检测隧道衬砌原理

首先使用发射天线对着隧道衬砌发射高频宽带短脉冲电磁波，因为不同的衬砌、围岩介质等的介电性质不同，发射回来的电磁波能量大小就会有差异，再利用接收天线接收反射回来的电磁波，记录因旅行长度，速度不同而产生差异的反射时间。不同介质中的电磁波传播速度可以用式(1)表示:

V = C / (1)

其中，C为在真空的条件下电磁波的传播速度，大小为0.3 m / ns; ε_r为相对介电常数。利用在不同介质中，电磁波的传播速度和传播所用时间可以计算出界面深度(h = Vt/2) 。被探测物体内部的波形图像可以使用发射天线沿着被检测物体表面移动来得到。地质雷达的检测原理如图 1 所示。

不同介质拥有不同的介电性、导磁性，其电磁波的运动学和动力学特性也是不同的，用发射天线向被探测物体发射高频宽频带电脉冲波，可以推算出其空间分布情况。电磁波在不同介质中的传播速度、旅行路径不同，接收天线接收到的电磁波的双程走时、波幅、频率等也因介质的不同而不同，利用这些差异性可以推算出被探测物体的内部结构特征以及衬砌的分布情况等。

2隧道衬砌地质雷达无损检测的研究现状

关于隧道地质雷达检测的研究，国内研究主要集中在实际技术的应用上，并通过多种实践取得了很大的进展。利用站点采集地质雷达，采用地质雷达的方法，可以对铁路隧道数据进行分析，铁路隧道质量课程研究应用于2000年在中国西南交通大学正式提出这个理论，同时，地质雷达这个方法的应用还处于早期阶段，经验不足，许多研究仍然存在许多缺点。目前，通过很多实验测试来检测隧道质量，解决了雷达测试技术的缺点和合理布局的问题，并且可以隧道施工过程中运用地质雷达的方法来提高施工质量。地质雷达的使用条件影响地质雷达深度，分辨度和精准度，还会影响传导率，信息采集和扫描速度等。戴前伟等详细讨论了地质雷达的操作方法，他发现地质雷达天线的频率和检测准确性是互相冲突的，进行检测工作时，必须进行精确的数据采集，在采集数据之后还要对数据进行准确分析进而找出影响因素。在把地质雷达技术运用到施工过程中时，必须对公路隧道进行观察，这样才能使地质雷达技术得到良好的运用。

3 应用实例

3.1 工程概况

某隧道采用分离式单向行车双车道隧道(上下行分离)。其中左洞设计桩号: K8 +428 ～K8 + 945，右洞设计桩号: K8+434～K8+925。本次检测目标为隧道既有衬砌质量检测，检测中在隧道左右布设3条雷达纵测线，具体测线布置如图 2 所示。

3.2仪器

本次探测采用的仪器为青岛LTD-2000及配套500MHz天线，该仪器技术参数见表1。根据实测现场具体情况，并针对二次衬砌底界为目的体选取合适参数，确定了本次试验检测的工作参数:采样长度35ns，采样频率8000，采用多次叠加、连续扫描方式(20m一个标记)进行野外实测。

3.3 推断解释

1) 经过数据预处理，计算明洞已知厚度部分的复合介电常数，确定相对应的电磁波速，求取目的层的深度即二次衬砌厚度。

2) 分辨地质雷达图中干扰波和目标体波形的差异。如果地质条件比较理想，那么可以很轻易的从地质雷达图中获得我们想要的内容。但是，在实际条件下，地质条件往往是很复杂的，地质雷达图也因许多干扰信号而变得难以解释，常见的产生干扰信号的原因有以下几种: 附着在衬砌上的金属物、电缆、因各种原因耦合不好的天线等。不同的干扰波具有不同的形态特征，可以区分辨认。

针对隧道衬砌施工质量，经现场检测，处理数据后，处理后的图像有以下典型三类:

1) 二次衬砌表面的钢筋。有时隧道围岩性质差，为了防止围岩产生较大的变形，往往在初次衬砌时设置钢拱架，二次衬砌时设置钢筋混凝土。使用地质雷达识别判断钢筋，图像中可看出波的反射信号强，钢筋在图像上呈连续的小双曲线形态。如图 3 所示为测线5 现场标20m～66 m段(设计里程K8 +905～K8 +951) 雷达波形图。

2) 衬砌层与围岩之间存在空洞，图像中可看出波的反射信号强，同相轴呈绕射弧形，可能为多个连续弧形反射组成或不规则弧形反射组成。如图 4 所示为测线 1 现场标记114 m ～ 158 m 段( 设计里程 K8 + 519 ～ K8 + 563) 雷达波形图。由于该段衬砌设计为 30 cm(二衬) +10 cm(初衬) ，而图中衬砌层反射波形平稳，无明显异常变化，说明衬砌层结构良好，无明显空洞、不密实区域。图中圈定范围为雷达异常反射区域，推断出衬砌与围岩之间存在空洞，同时周边可能伴随有不密实区域存在。

3) 衬砌层与围岩之间存在不密实区域。从图像中可以看出，波的反射信号较强，呈杂乱散点反射，如图 5 所示为测线3 现场标记 376 m ～414 m 段( 设计里程 K8 +781 ～ K8 +819) 雷达波形图。如图6所示为测线5现场标记372 m～414 m段( 设计里程K9+227～K9+269) 雷达波形图。

结束语

用地质雷达检测隧道衬砌质量，以雷达波形图直观的展示了检测结果，从波形彩图中可以看出钢筋的数量，衬砌层与围岩之间是否存在空洞，衬砌层与围岩之间是否密实，且地质雷达探测方法具有无损、方便快捷、高效率等特点，广泛应用于公路隧道衬砌施工质量检测中。但是地质雷达检测方法仍具有不小的局限性，首先，检测大多只能定性的判别施工缺陷。其次，地质雷达无法判断出钢筋混凝土的衬砌厚度以及衬砌上轻微细小的缺陷，这些都需要在今后的研究中加以改善。

参考文献

［1］ 何 川，李 铮，杨赛舟，等． 施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统的研制及应用［J］． 中国公路学报，2017，30( 5) :114-121．

［2］ 徐 赞． 地质雷达在隧道施工质量检测中的应用研究［D］． 长沙: 长沙理工大学硕士学位论文，2013:3-4．

［3］ 杨艳青，贺少辉，齐法琳，等． 铁路隧道复合式衬砌地质雷达检测模拟试验研究［J］． 岩土工程学报，2012( 6) :1159-1165．