高速铁路隧道地质雷达法检测技术

李霄凯，童正洪

(1.铁道部工程管理中心，北京 100844;2.铁道部安全质量监督总站京沪监督站，北京 100844)

1 高速铁路隧道监督检测开展情况

京沪高速铁路隧道工程分布于山东省、安徽省及江苏省境内。地质条件复杂多变，隧道围岩多是强风化破碎岩石，施工难度较高，属于京沪高速铁路质量控制性工程之一。为确保隧道工程质量，指导隧道施工，2008年开始，京沪监督站对京沪高速铁路罗而庄、西渴马一号等18座隧道，先后进行了3次专项质量监督检测，对监督检测中发现的安全质量问题通过监督通知书及时通报反馈，提出了相关整改要求，通过现场整改，确保了工程质量。

京沪高速铁路3次隧道质量监督检测，本着安全实用、技术先进、数据准确、评价可靠的检测技术要求，均选用地质雷达无损检测法。结合贵广、大西、山西中南部通道等多条客运专线项目隧道监督检测情况及对照分析数据，地质雷达法比传统的隧道检测方法(如钻探取芯、开挖取样等)，具有扫描速度快、操作简便、质量轻、分辨率高、图像直观等优点，因此在高速铁路隧道工程检测中得到广泛应用。

2 隧道检测主要内容

2.1 高铁隧道结构检测的重点和常见质量缺陷

高速铁路隧道工程对二次衬砌的质量提出了较以往更高的要求，要求隧道防水等级必须达到一级防水等级，即二次衬砌结构不允许渗水，二次衬砌结构表面无湿渍。新高铁隧道验收标准要求:隧道衬砌的厚度严禁小于设计厚度，二衬混凝土与防水板之间应密贴无空洞。对于使用新奥法施工的高铁隧道来说，常见的结构质量缺陷是隧道衬砌厚度不足、混凝土不密实和衬砌内存在空洞、衬砌结构与围岩脱空、混凝土蜂窝或严重离析等。另外，在施工过程中由于对超欠挖控制不良造成较大的超挖而回填不密实，导致在衬砌建设期间及竣工后围岩掉块崩落在衬砌之上，或衬砌受力不均匀而开裂等质量问题。以上质量问题的产生使得高铁隧道衬砌在经受温度变化、地下水静水压力以及脱空区掉块荷载时，容易产生诸如漏水、衬砌裂损、衬砌冻害、衬砌腐蚀等一系列病害问题，并可能影响隧道的正常运营及使用年限。从以往己建成的铁路隧道发生的事故来看，衬砌厚度不足和背后空洞的存在，是造成事故的主要原因。

衬砌是隧道的主要承载结构，如果衬砌厚度不足，会造成结构中存在薄弱截面，导致隧道结构的承载力降低;其次是局部的衬砌厚度不足，使得薄弱截面处截面惯性矩、刚度变化，导致结构整体受力的变化，对高速铁路隧道的长期稳定以及使用功能的正常发挥都有很大的影响，严重者可能带来灾难性的安全事故。同时，隧道结构中衬砌混凝土与围岩之间存在的空洞对隧道的承载特性有着不可忽略的影响，它会促进围岩的松弛，使衬砌产生弯曲应力，而损伤衬砌的功能，降低其承载力。研究表明:(1)同样厚度的衬砌背后有空洞，其承载力在同样位移的条件下，有空洞的衬砌的承载力不足无空洞者的1/3。(2)拱部厚度不同时，其承载力的变化是很大的。在同样位移条件下，如满足设计厚度的承载力为1，则衬砌厚度为设计厚度的3/4时，其承载力为0.4，衬砌厚度为设计厚度1/2时，其承载力仅为0.1。(3)背后空洞范围越大，最终初期支护和二次衬砌的承载力也降低。(4)衬砌背后空洞时，若用硬质材料回填时的承载力为1，用软质材料回填时的承载力为0.8，而不回填的仅为0.1左右。由此可见，衬砌厚度不足和背后空洞等缺陷，对高铁隧道结构质量有着极大的危害性。因此，有必要对高铁隧道结构质量缺陷进行检测。地质雷达法不仅能够检测到衬砌厚度不足和背后空洞2种主要质量缺陷，而且还可以检测钢架、钢筋间距过大、数量不足和保护层厚度不足等质量缺陷。它是目前隧道结构进行质量无损检测的主要方法。

2.2 地质雷达监督检测主要内容

高速铁路隧道初期支护检测包括初期支护厚度、钢拱架数量、支护背后空洞及回填情况。隧道施工过程中，时常发生超挖，对超挖部分必须进行回填处理，如果处理不当，将为隧道埋下严重的隐患。通过地质雷达进行扫描，可及时发现存在的缺陷，尽早进行补救，避免埋下隐患。

二次衬砌检测主要包括衬砌厚度、衬砌背后脱空、衬砌中钢筋有无缺失。新验标要求，钢筋混凝土保护层厚度不应小于3 cm(设计未注明时)。隧道施工过程中，由于工艺特点及其他因素影响，容易造成二次衬砌与初期支护之间的脱空，特别是在隧道拱顶等部位，应作重点探测。

3 地质雷达检测原理

3.1 雷达检测原理

地质雷达法检测是利用超高频电磁波探测介质电性分布的一种地球物理方法。雷达工作时，向地下介质发射高频电磁脉冲;高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，在介质表面通过发射天线将信号传入介质内部，电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，其路径、波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化;经媒质界面或目标体反射后返回地面，由接收天线接收，地质雷达接收并记录这些信号，由深度公式

计算求出反射界面的深度即衬砌厚度。式中，C为电磁波在空气中的传播速度，Dt为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间，εr为混凝土的相对介电常数。

如果交界处贴合不好，或存在空隙，亦会导致雷达剖面相位和幅度发生变化，由此可确定衬砌厚度和发现施工缺陷。电磁波遇到衬砌中的钢筋，会出现全反射，接收到的能量非常强，在雷达剖面上显示强异常，以此可确定钢筋分布情况。通过进一步的信号处理，通过对电磁波反射信号的相位、频率及振幅进行分析处理，从而可以推断被测目标体内部的结构和分布形态。

地质雷达工作原理如图1所示。

图1 地质雷达工作原理示意

3.2 地球物理特性

探地雷达是通过脉冲电磁波在地下介质中的透射、散射和反射所携带的地下介质介电参数信息来判断地下目标的分布与存在。常用介质的介电参数如表1所示。

表1 介质介电参数

由表1可见，雷达波反射信号强弱取决于分界面两侧介电参数的差异。这些介电常数的变化，给地质雷达探测提供了基本条件。

4 地质雷达检测主要技术要求

4.1 现场检测主要技术控制

(1)天线频率的选择

高速铁路隧道衬砌检测采用屏蔽天线，频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高、能量衰减较快、探测深度较浅;频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低、能量衰减较慢、探测的深度较深。根据隧道衬砌混凝土厚度及检测要求合理地选择天线频率。检测深度与天线频率选择见表2。

表2 检测深度与天线频率选择对照

(2)里程标识控制

为了保证地质雷达图像剖面各测点的位置与实际检测里程的位置相对应。隧道边墙上每2 m作1个单线标记，每10 m作1个双线标记，标注里程以供核对。地质雷达检测里程标识如图2所示。

图2 地质雷达检测里程标识示意(单位:m)

(3)雷达波速的标定

雷达波速是计算衬砌厚度的重要参数。因施工及用料情况不同，混凝土衬砌或喷射混凝土的雷达波速有一定的变化范围。为了保证检测的精度，需对现场的雷达波速进行标定。常用的标定方法有:在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量;在洞口或洞内避车处使用双天线直达法测量;钻孔实测。

4.2 雷达信号处理

雷达波接收采用高频宽频带进行数据记录，期望接收更多的反射波特征。因此，接收到的雷达波信号在记录各种有效波的同时，也不可避免地记录了各种干扰波，使得记录图形不能清晰反映目标体。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，接收天线接收到的电磁脉冲，波幅衰减，波形与原始反射波有差异。因此，现场采集的数据须进行适当的数字信号处理，为进一步解释分析提供清晰的雷达图像。雷达波形信号处理需要采取以下步骤。

(1)数据预处理。主要包括废道切除、数据归一化、零线设定和去直流漂移。

(2)增益控制。采用时间-增益控制调节来补偿由于扩散和衰减的振幅损失，目的是对深部信号放大，以清晰探测深部缺陷。

(3)滤波处理。包括背景去噪、平滑滤波、一维和二维滤波和小波变换等滤波方法的应用。

4.3 图像解读

由于各种岩土工程介质之间的电磁学特性的差异，对隧道混凝土衬砌、围岩和钢筋等不同目标体的雷达波波形特征进行总结，地质雷达法评定标准如表3所示。

表3 地质雷达法评定标准

地质雷达检测图像判释流程主要步骤如下。

(1)层位追踪。查看雷达反射波同相轴是否有异常，如同相轴大致水平，则确定初衬或二衬反射层位置。

(2)雷达异常判释。对于异常波形图，首先应排除假异常信号，对于可压制干扰波应该先经过相关数据处理后再判释。雷达剖面图像中钢筋表现为同相轴连续峰状、高亮，容易识别，在探测钢筋混凝土衬砌时，由于前排钢筋对雷达波的强烈反射和对后排钢筋的屏蔽，钢筋背后的目标体应采用衰减补偿增益，以确定后排目标体的情况。

(3)分析其他异常体波形特征，以确定其他缺陷。位于钢筋附近的其他缺陷应高度重视，必要时可开孔验证。

(4)参照提供设计资料文件，确定衬砌厚度、衬砌钢筋分布数量和位置、衬砌背后空洞或脱空位置和不密实区域。

(5)图像判释完毕后，根据缺陷类型提出解决方案。

5 地质雷达检测误差分析

地质雷达检测的精确度能否达到规定要求，是地质雷达监督检测的关键问题。地质雷达在隧道衬砌质量检测中存在误差是不可避免的，分析误差来源对减少误差十分必要。从误差来源看，在进行隧道质量检测时，影响检测结果的因素除了仪器本身的系统误差，仪器参数设置误差、衬砌表面的平整度及障碍物情况、天线与衬砌表面的接触效果等原因外，还有衬砌厚度计算误差、空洞的定位误差、表层钢筋多次反射的影响、里程定位误差。

5.1 电波速度误差

由于衬砌混凝土的强度等级不等，以及骨料的级配、成分不同，使得雷达波在衬砌混凝土中的传播速度不确定。通常雷达波在传播速度为11～13 cm/ns。分析可知:雷达波正反程时间误差0.5 ns，可导致2～3 cm的衬砌厚度检测误差。

5.2 空洞的定位误差

地质雷达隧道检测采用6～7条检线(拱顶1条、拱腰2条、边墙2条、仰拱1～2条)进行剖面检测。仅仅根据某条测线很难精确确定空洞的位置和大小，在空洞位置处正交补测1条或多条短测线进行剖面立体分析，精确确定空洞的平面位置和规模。

5.3 钢筋混凝土衬砌双层钢筋的影响

由于探地雷达使用的是高频电磁波，而高频电磁波具有准光学特性，即当它遇到金属时，发生全反射，部分能量被接收天线所接收，部分又被反射到钢筋处，从而形成了电磁波在天线和钢筋之间的多次反射。在时间深度剖面图上，这直接影响对钢筋背后缺陷的判断，而按照现有的滤波方法，这种影响无法消除。

5.4 里程定位误差

隧道检测时，里程标识的记录间距一般为2 m。误差主要来源于里程标识的精度和检测车速度的不均匀。由于里程标识之间的里程位置是内插得出的，如果检测车运行速度不均匀，则内插的里程范围约为0.2 m。因此，检测过程中，应控制好检测车速度，保持匀速运行，以减小里程内插误差。

6 典型雷达图像实例分析

图3是高铁隧道地质雷达无损检测标准图像。雷达反射波到达二衬和初衬界面以及初衬喷射层和围岩胶结面界面时，会形成反射波。由图3可知，图像显示混凝土密实，钢筋排列均匀紧凑，围岩岩质密实，没有出现裂隙或孔洞。图4～图6为衬砌检测有问题的图像。

图3 衬砌混凝土密实，钢筋排列均匀紧凑

图4 钢筋排列不均匀、间距过大、稀疏

图5 混凝土衬砌背后不密实，衬砌界面反射信号强且不连续

图6 二衬底部脱空，雷达信号在脱空部位发生强烈绕射

7 结论及建议

在充分处理好地质雷达在隧道检测中的技术问题后，将会使地质雷达在高速铁路隧道监督检测中得到更高层次的发展，以满足高速铁路隧道监督检测的需要，使地质雷达成为高速铁路隧道检查不可缺少的检测方法。如果与钻芯法等其他检测方法配合使用，地质雷达在隧道检测中将会取得更好的效果，同时，也可以进一步发挥该技术的科技优势。

目前，地质雷达隧道监督检测，一方面应进一步研究地质雷达数字信号的处理方法，致力于从地质雷达的信号及时间深度剖面图中提取更多的有用信息;另一方面进一步研究地质雷达的数值模拟模型，加深对地质雷达反射剖面的认识，提高解释精度，为地质雷达的反演提供依据。

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