地质雷达在隧道二衬检测中的应用

地质雷达在隧道二衬检测中的应用

井维秋

摘要：本文以东天山特长隧道二衬检测为例，阐述了地质雷达的检测原理及方法，并通过在东天山隧道二衬检测中的应用，证明地质雷达在二衬检测中，具有无损、低成本、操作方便快捷、精度高等优点，目标体清晰易判别，能够有效的检测出二衬中的缺陷及厚度。

关键词：地质雷达；二衬检测；隧道

1引言

在隧道施工过程中，由于混凝土流动性、泵压不足等各种原因，会导致二衬背后脱空、混凝土不密实、二衬厚度不足等多种缺陷，进而导致二衬表面出现裂纹、渗漏水等常见病害，严重威胁隧道的安全运营，因此，对隧道二衬结构的质量进行检测评价尤为重要。地质雷达作为一种检测设备相对于传统的钻孔取芯法，具有无损性、高效性、抗干扰能力强等优点，在近年来隧道二衬质量检测中得到了广泛应用。

2检测仪器设备及原理

2.1检测仪器设备

本文中二衬检测选用瑞典MALA地球科学公司（Sweden MALA Geoscience Inc）生产的主机型号为X3M地质雷达。配置工作频率为500MHz的屏蔽天线。此种配置既能满足检测现场比较复杂、恶劣的环境，又能有效的达到检测技术要求。

2.2检测原理

地质雷达法是采用电磁波，通过对各种介质内不可见目标物或者分界面进行连续扫描。当电磁波在介质中传播时，其电磁场强度和波形随所通过介质的介电性质和几何形态的变化而变化。其中一部分电磁波发生反射，地质雷达采集到反射回来的电磁波信号，通过后续分析和处理，确定介质内部结构形态和位置及不同介电常数介质的分界面，推测所测物体内部的钢筋分布、内部缺陷及厚度等。地质雷达法检测原理见图1。

3数据处理及相对介电常数取值的确定

3.1数据处理

采集的数据利用专业软件Reflexw进行处理，经过零点校正、水平距离均衡、滤波、偏移、希尔伯特变换等数据处理步骤，压制随机和规则的干扰波，最大限度提高雷达剖面的信噪比，并将数据元素重置补偿来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变，最后得到地质雷达图像后，通过对比分析进行判断。

解释工作依据地质雷达地球物理分析方法，按照由已知到未知和定性指导定量的原则进行。衬砌界面根据反射信号的强弱、频率变化及延伸情况确定。衬砌厚度由公式（1）确定：

                                    （1）

式中d为衬砌厚度，ɛ为相对介电常数，t为双程走时，由此式可知，衬砌厚度误差的大小取决于相对介电常数的取值。

3.2相对介电常数取值的确定

通过采用地质雷达测量已知厚度的二衬，可获得相对准确的混凝土的相对介电常数，但是隧道衬砌一般不允许钻孔验证，实际操作中存在困难。一般现场可利用二衬端头获得已知厚度值，显而易见，这种方法仅适用于二衬施工过程中的检测。一般情况下，隧道二衬混凝土的相对介电常数值在6～9之间，介质中水分及气候的变化对介电常数影响很大，现场操作时，宜选用混凝土龄期为40天以上的表面干燥的二衬，在二衬端头选定4～6个测点，用钢卷尺测出该点的实测厚度值，用地质雷达测出该点的双程走时，通过厚度和时间可计算出电磁波在混凝土中的波速，最后根据公式（2）

                               （2）

可计算出相对介电常数的值，取平均值作为最终值，公式（2）中，V为波速，C为光速，ɛ为相对介电常数。

4工程实例

4.1工程概况

东天山特长隧道为左右分离式特长隧道，左线长度11764m，右线长度11775m。

设置2个送排风斜井，斜井主要布置在主线两侧沟谷内。隧道洞身围岩总体Ⅲ～Ⅳ级，进出口段、断裂破碎带位置Ⅳ～Ⅴ级。隧道进口段位于山前缓坡地带，地表为草地，地层由冲洪积层组成，厚度较大，岩性为砾卵石、砂砾石夹粗砂，对成洞不利，隧道小于50m的浅埋段长度达220余米，第四系孔隙水比较丰富，下伏岩体较破碎。隧道出口位于花岗岩体中，岩体坚硬、但节理裂隙发育，上覆较大范围崩积层，对成洞十分不利，需调整隧道出口位置以避让。隧址区断裂构造发育，断裂部位岩体比较破碎，断裂带中赋存地下水。

4.2测线布置

本次检测沿隧道纵向布置五条测线，分别为拱顶A，左拱腰B，右拱腰C，左边墙D及右边墙E（如图2），现场具体桩号由现场进行指认。

图2 隧道纵向测线布置图

4.3检测结果

    二衬质量检测时，如果二衬混凝土存在内部不密实、空洞、背后脱空等缺陷存在，代替混凝土填充缺陷空间的是空气或者水，这样就造成混凝土周边电性差异增大，使地质雷达波反射能量增强。反之，当混凝土内部为均质体时，介质中电性差异较小，地质雷达波反射能量较弱。以下列举几个典型图例。

（1）图3为二衬混凝土不密实，缺陷产生的主要原因为混凝土振捣不密实或者混凝土产生离析。

图3 二衬混凝土不密实

（2）图4为二衬防水板与初支间脱空，缺陷产生的主要原因是初支表面凹凸不平，而防水板紧绷导致。

图4 防水板与初支间脱空

（3）图5为两板二衬接头处三角脱空，缺陷产生的主要原因是二衬混凝土振捣不密实或者二衬顶部空气没能够完全排除。

图5 两板二衬接头处三角脱空

（4）图6为二衬钢筋，图像中钢筋信号比较容易识别，钢筋总数量除以段落长度即为钢筋间距。

图6二衬钢筋

（5）图7为二衬厚度图像，二衬与初支间夹着一层防水板，二衬厚度相对容易判别。

图7二衬厚度

5结语

通过东天山特长隧道对地质雷达在二衬检测中的多次应用，可得出以下结论：

（1）地质雷达在二衬检测中，具有无损、低成本、操作方便快捷、精度高等优点，目标体清晰易判别，能够有效的检测出二衬中的缺陷及厚度，且定位准确。

（2）介电常数的取值对二衬厚度的判断起着至关重要的作用，应优先选取现场实测的方式确定介电常数值。

（3）地质雷达所得数据存在一定的人为影响，要得到较高精度的结果，需要操作人员具有较高的理论知识和丰富的实操经验。

参考文献

[1] 袁海波.地质雷达在公路隧道二衬质量检测中的应用[B].西部探矿工程，2016（1）.

[2] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京地质出版社，1994.

[3] 白立新.地质雷达应用于公路隧道衬砌无损检测的试验研究[J].科技创业，2016（17）.

作者简介：姓名：井维秋，男，1988.10.25，本科，工程师，  研究方向：路桥施工及管理