探地雷达检测隧道衬砌的影响因素及应用

第７期（总第１９５期）　翘　标准与检测一　探地雷达检测隧道衬砌的影响因素及应用　邵顺安。郑景祥。郑礼永　（福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州３５００２５）　摘要作为一种无损检测技术，探地雷达因其高精度的分辨率，快速的检测方法而迅速地在隧道衬砌质量检测　中得到了推广。然而由于人员、设备、环境、雷达数据采集、处理及解释等因素的影响，探地雷达隧道衬砌检测的结果往　往存在一定程度的误差。分析了采用探地雷达检测隧道衬砌的影响因素，提出了解决方案，并论述了探地雷达对隧道衬　砌空洞、型钢支撑及钢筋间距等常见质量问题的检测，为类似的工程检测提供一个实用的参考及借鉴。　关键词探地雷达；隧道；衬砌；质量检测；影响因素　Ｏ引言　定介电常数等探地雷达相关参数，并且应选取取多个已知厚　目前，隧道混凝土衬砌常见的质量问题有衬砌与围岩结　度测点，进行多次标定。　合部的缺陷、衬砌厚度不足、钢支撑或钢筋数量不足等。针对　（２）为准确定位缺陷，检测过程中应准确标记测线位置　隧道施工中可能出现的质量问题，采用探地雷达检测技术，　和隧道里程。建议在检测过程中，在隧道左右边墙上，每５ｍ　对混凝土衬砌中出现的脱空、钢支撑数量、钢筋数量等进行　做一个单标记，每５０ｍ做一个双标记，尽量避免因标记错位　检测，对隧道施工质量起到监控的作用。雷达检测技术以其　而导致检测结果错位。　经济、无损、快速、准确等特点成为隧道衬砌质量检测最主要　２＿２数据处理　的方法。然而由于人员、设备、环境、雷达数据采集、处理及解　探地雷达数据处理的主要问题表现在处理参数的选择。　释等因素的影响，探地雷达隧道衬砌检测的结果往往存在一　探地雷达数据处理的步骤主要有标记整理、废道剔除、直达　定程度的误差。　波校正、距离归一化、滤波（包括垂直滤波和水平滤波）、反褶　通过对探地雷达隧道衬砌检测的影响因素进行分析，提　积等，这些处理方法是常规雷达数据处理的流程。其中，有些　出了相应的有效解决方案，并结合实际隧道衬砌质量检测中　处理参数需要进行多次数据分析确定，如滤波、反褶积等。　的应用，极大程度地提高了地质雷达隧道衬砌检测结果的准　２．３图像解释　确性。　探地雷达图像解释的主要问题表现在衬砌缺陷的定性　１探地雷达工作原理　判断和定量判断。探地雷达图形解释的原则具体如下：　探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，ＧＰＲ）是利用超高频　（１）对初期支护背后空洞、二次衬砌脱空、二次衬砌背后　（１０６～１０　Ｈｚ）脉冲电磁波探测隧道结构内部的情况，媒质电　不密实、钢拱架缺失，以及钢筋网缺失等衬砌缺陷来说，只需　磁特性ｆ主要指介电常数）决定了波在其中传播的波速、衰减、　要定性判断它们是否存在。　波长、极化、散射和谐振等参数。探地雷达通过发射天线向隧　（２）对钢拱架间距、钢筋间距及衬砌厚度等衬砌缺陷来　道结构内连续发射高频短脉冲电磁波，电磁波在传播的过程　说，不仅需要定性判断它们是否存在，而且需要定量判断它　中遇到电性差异界面时会产生反射，由接收天线接收反射回　们的规模。　来的电磁信号，连续记录不同平面位置上的反射信号即构成　２．４环境因素　了雷达剖面记录。雷达电磁波在介质中传播时，其路径、电磁　雷达天线发射信号不仅向被测物一个方向发射，同时会　场强度与波形会随所通过介质的电磁性质及几何形态的变　朝其他方向发射信号。由于隧道环境复杂，施工机械众多，雷　化发生变化。根据接收到的回波的时间、幅度和波形等信息，　达天线发射的信号在隧道内其他物体上的反射信号也会被　再经过资料的后处理，进行反演解释，可得到隧道结构质量　天线接收到。虽然这些信号的强度可能很弱，但经检测过信　评价结果，找出结构中存在的质量缺陷。　号叠加等可能会形成比较明显的干扰波，这就要用到处理软　２衬砌检测结果影响因素及解决方法　件进行滤波，去除杂波干扰，并且应现场记录可能存在的干　２．１数据采集　扰源，以便图形解释时去除。　地质雷达数据采集的主要问题包括介电常数的选择以　３探地雷达在隧道衬砌检测中的应用　及标记混乱问题。　３．１隧道衬砌背后脱空检测　（１）应通过对已知厚度的混凝土结构进行现场测试，标　隧道混凝土衬砌在浇注施工中，由于灌注时无法灌满、　・ｌ９・　■标准与检测　翘楚谴蜥　３．３隧道二衬混凝土中钢筋检测　２【】１７年　混凝土固化收缩或其他原因，常常在衬砌内部或衬砌与围岩　结合之间造成空洞、空区等缺陷。这些缺陷的存在造成混凝　土衬砌产生集中应力，降低了衬砌的承载能力，直接影响隧　道的使用寿命。　图１所示为某隧道二衬检测结果，在雷达波剖面图中，　在１９９～２０１里程范围内，存在一条斜向的强反射区域，并在　隧道二次衬砌是隧道工程永久性承力结构的一部分，在　软弱同岩地段．由于同岩稳定性较差，隧道发生不均匀沉降　时，二衬混凝土容易产生裂缝，对隧道的稳定性及试用寿命　产生重要的影响，因此，施工中要求在二衬中布设钢筋。　与型钢支撑相比，电磁波亦无法穿透钢筋，形成全反射，　但二衬中钢筋布置间距较小，故在雷达剖面图上，钢筋信号　强反射之后存在雷达波震荡信号。推测该段产生原因为：由　于混凝土与空洞内空气两种不同介质因电性差异较大，在该　处雷达波表现出强的反射波组，电磁波在空洞中产生多次反　表现为连续的小双曲线形强反射信号。如罔３所示。　射引起的震荡信号。根据上述依据可判断隧道衬砌结构在该　段范围内存在空洞，且衬砌厚度最薄处仅约２０ｅｍ，严重不足　（设计厚度为４５ｅｍ）。　根据对现场情况的调查发现，该段隧道衬砌拱顶产生环　向裂缝，且部分裂缝深度贯通。通过对施＿Ｔ记录的调查发现，　由于压浆设备故障，导致二衬混凝土浇筑施Ｔ时，混凝土未　灌满，从而产生隧道结构空洞并开裂，严重影响了隧道结构　的承载能力。　ｌ　ｅ０　图３隧道衬砌钢筋雷达图像　４结论　综合以上所述，可以得到以下结论：　【１）数据采集处理、图像解释及外界环境因素对探地雷　达检测效果的影响非常大，甚至直接决定了探地雷达检测隧　道衬砌质量结果的准确性，所以在检测过程中参考本文的解　决方案，可以有效地降低检测结果的误判性。　（２）不同缺陷的雷达图像特征如下：①由于混凝土与空　洞内空气两种不同介质因电性差异较大，雷达波会在空洞中　产生多次反射引起的震荡信号。②电磁波在型钢支撑位置形　图１隧道衬砌结构空洞雷达图像　３－２隧道初期支护型钢拱架的检测　成强反射，在雷达剖面罔上，型钢拱架表现为“弧形”反射呈　上下叠置状。③在雷达剖面　上，钢筋信号表现为连续的小　双曲线形强反射信号。　隧道衬砌施＿Ｔ中，对某些软弱同岩段需架设型钢拱架，　提高衬砌的承载能力和衬砌的抗压强度、韧性。型钢拱架的　间距、位置以及它们与围岩接触关系，一直是建设和施＿Ｔ监　理部门特别关注的质量问题。型钢拱架的间距偏大与变形　等，都会不同程度地降低衬砌支撑能力，引发质量隐患。　在电磁波传播至型钢支撑位置时，南于型钢支撑是以传　参考文献　…１粟毅，黄春琳，雷文太．探地雷达理论与应用【Ｍ】．北京：科　学出版社，２００６．　【２１李银真，崔洪庆，张铁刚．地质雷达滤波参数对图像分析　结果的影响Ｕ】．科技情报开发与经济，２００６，１６（５）：　１６７－１６８．　导电流为主的介质，导致电磁波无法穿透，形成电磁波的全　反射，接收到的能量非常强，在雷达剖面上显示强异常。因此　在雷达剖面图上，型钢拱架表现为“弧形”反射呈上下叠置　『３１宋明艺，王立国．地质雷达在隧道衬砌质量检测与监测中　状，如图２所示，以此来判断施工中的钢拱架的布置间距。　的应用Ｕ１．工程地球物理学报，２００９，６（４）：４６５—４６９．　【４１李大心．探地雷达方法与应用【Ｍ　１．北京：地质出版社，　１９９４．　【５Ｉ铁路隧道衬砌质量无损检测规程：ＴＢ１０２２３—２００４【ｓＪ．北　京：中国铁道出版社，２００４．　【６】海洋．提高地质雷达在隧道衬砌检测中的准确性研究　工程地球物理学报，２０１６，１３（４）：５５３—５６０．　图２隧道衬砌型钢拱架雷达图像　・２０・