高原冻土隧道地质雷达法检测分析

江 波，齐法琳，2

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

地质雷达作为一种高分辨率和高准确率的结构检测设备，因其具有快速、简捷、无损、灵活的特点，已被广泛应用于公路、水利等工程的结构质量检测中［1-3］。为全面掌握运营中的青藏线高原隧道技术状态，并考察地质雷达法在铁路隧道衬砌检测中的适应性，铁科院基础所采用地质雷达法对青藏线格拉段的昆仑山隧道进行了检测［4］，本文对其检测结果进行分析，以期为高原冻土隧道的养护维修提供依据。

1 工程概况

昆仑山隧道起讫里程为K968+973.77—K970+659.77，全长1 686 m。该隧道(图1)处于多年冻土区，进口山坡为阴坡，冻土上限约2.7 m。除进口处分布约1.8 m厚的饱冰冻土外，其余为少冰、多冰冻土。出口山坡为阳坡，冻土上限2.1～3.0 m，为少冰、多冰冻土，自地表往下，随深度的加深地层含冰量逐渐降低，在36 m以下基本无冻结冰存在，在36 m以上岩层中局部分布薄层裂隙冰。

图1 昆仑山隧道拉萨端洞口

2 地质雷达检测

2.1 工作原理

地质雷达主要由雷达主机和天线组成。雷达主机向天线发出控制信号，然后天线发出高频电磁波。电磁波在衬砌和围岩内传播，遇到衬砌边界、内部裂缝、空洞、围岩等界面便会发生反射，反射电磁波被天线接收后传回雷达主机，雷达主机对电磁波信号进行全时程数字化记录和存储。根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时等参数可推断出目标物的空间位置、结构及几何形态，从而达到探测隐蔽目标物的目的。地质雷达工作原理见图2。

电磁波在同一介质中的传播速度是不变的，根据记录的电磁波双程旅行时间t，可按下式算出目标物深度H

电磁波反射信号的振幅与反射系数成正比，反射系数r的计算公式为

式中，ε1，ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

式(2)表明:界面上下介质相对介电常数的差异决定了反射系数的大小，进而决定了电磁波反射信号的强弱，即相邻两介质的相对介电常数的差异越大，电磁波反射信号越强，反射界面越容易识别，而隧道衬砌背后存在空洞或回填不密实时，空隙里含有空气或水，而空气、水与混凝土、围岩的相对介电常数就存在较大的差异，见表1。

图2 地质雷达工作原理示意

表1 不同介质的相对介电常数

2.2 检测设备及其参数

本次检测采用意大利IDS公司生产的RIS-K2型地质雷达主机，天线选择600 MHz屏蔽天线，探测深度1.5～2.0 m，测量时窗40 ns，采样点数512，采样间距1 cm，触发方式选择距离触发。

2.3 检测方法

根据有关规定［5］，隧道衬砌的检测在拱顶、左右拱腰(距轨面4.0 m高处)和左右边墙(距轨面1.5 m)布置5道测线，见图3。通过高空作业车将操作人员抬升到检测位置，操作人员将天线贴近隧道衬砌表面，采用距离触发模式对衬砌表面进行连续扫描。高空作业车以3～5 km/h的速度前进，一次可以完成对整条隧道拱顶或者拱腰部分衬砌的探测，见图4。对两侧边墙的衬砌检测只需操作人员在地面上手持天线就可完成。为保证检测数据里程与实际一致，在天线通过隧道5 m或10 m洞身标记时，里程标记观察人员立即通报数据采集操作员，操作员在数据采集仪器上标记。

图3 地质雷达检测测线布置示意

图4 隧道拱顶部位检测

3 检测数据处理与分析

3.1 数据处理及判识

1)数据处理

地质雷达所接收的是来自不同介质界面的反射波，其正确解释取决于合理选择检测参数、数据处理方法得当、判图经验丰富等因素。地质雷达数据处理包括预处理(标记和桩号校正，添加标题、标识等)和进一步的处理分析。通过数据处理压制规则的和随机的干扰信号，突出电磁波速度、振幅和波形等有用的异常信息。本次检测数据处理，采用的是RIS-K2型地质雷达随机配备的GRESWIN2、IDSGRED后处理软件包。

2)图像判识

依据界面反射信号的强弱判读空洞，反射波与直达波相位的关系判读含水界面。在雷达图像上，空洞表现为反射振幅较强、同相轴连续、波形呈弧状，存在多次反射波等特征;回填不密实在雷达图像上表现为振幅不强、同相轴连续性差等特征。

3.2 检测结果分析

对检测区段地质雷达图像进行分析，典型雷达图像见图5、图6。依据有关规定［6］，对隧道衬砌厚度不足及衬砌背后密实度等情况进行等级评定，各检测部位衬砌病害统计结果见表2～表4。

图5 衬砌背后回填不密实地质雷达图(K969+862—K969+863段拱顶)

图6 衬砌背后空洞地质雷达图(K970+062—K970+063段拱顶)

表2 昆仑山隧道衬砌厚度不足缺陷统计 m

表3 昆仑山隧道衬砌背后空洞缺陷统计 m

表4 昆仑山隧道衬砌背后回填不密实缺陷统计 m

4 结论

1)昆仑山隧道的5条测线总长度8 430 m，衬砌厚度不足测线累计长度3 112 m，占测线总长度的36.92%，其中较严重地段累计长度27 m，占测线总长度的0.32%，均在拱顶部位。

2)衬砌背后存在空洞测线累计长度174 m，占测线总长度的2.06%，其中极严重地段累计长度61 m，占测线总长度的0.72%。

3)衬砌背后回填不密实测线累计长度441 m，占测线总长度的5.23%。其中严重地段累计长度10 m，占测线总长度的0.12%。

4)隧道拱腰以上，尤其是拱顶部位，病害数量较多，病害等级亦较高，建议对这些部位重点监测，对病害极严重区段要进行注浆加固处理。

可见，地质雷达在高原恶劣环境下也能取得较好的检测效果，可为客观评价高原隧道的安全性能提供可靠依据。

［1］雷刚，杨林德.公路隧道衬砌质量检测中电磁波无损检测方法的应用研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(增1):5081-5085.

［2］马利平.地质雷达法在水工隧洞检测中的应用［J］.华北地震科学，2008(9):50-52.

［3］朱海城.地质雷达检测技术在寒冷地区客运专线隧道工程中的应用［J］.铁道建筑，2012(6):86-88.

［4］齐法琳，江波.青藏线隧道衬砌状态检测评估［R］.北京:中国铁道科学研究院，2008.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10223—2004 铁路隧道衬砌质量无损检测规程［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［6］中华人民共和国铁道部.铁运函［2004］170号 铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2004.