提高地质雷达隧道衬砌质量检测效果的几点措施

张家鸣

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 4 71009)

0 引言

随着我国经济的高速发展，新建的铁路、公路隧道在逐年增加，同时，运营中的隧道暴露出来的病害也越来越多。衬砌作为隧道的主要受力结构，对隧道的安全运营起着重要的作用。传统的检测方法主要采用开孔或开槽取样检测，存在效率低、代表性差、偶然性大等缺点，而地质雷达作为一种先进的检测技术，具有快速、高效、无损、连续、分辨率高等优点，目前已成为隧道施工质量检查和运行期间隧道病害检测的重要手段［1-2］。

时元鸿［3］以襄渝线安康至重庆段增建第二线第V标段为例，介绍了地质雷达电磁波反射检测隧道衬砌质量缺陷的测试过程及结果统计分析;路刚［4］通过地质雷达分别对二次衬砌厚度、钢筋钢拱架分布和混凝土不密实的判别方法进行了研究;宋明艺等［5］在简述地质雷达基本原理及工作方法的基础上，讨论了地质雷达的信号识别在铁路、公路隧道检测中的可行性及准确性，并对地质雷达的实测资料进行了处理及分析;康富中等［6］通过地质雷达在昆仑山隧道中的检测应用，得出:隧道在高寒恶劣环境中，衬砌总体外观质量不佳，在两端洞口段有渗水疏松掉块的现象;衬砌背后空洞缺陷现象较严重，温度和冻胀因素使处于高寒恶劣环境中的隧道更容易发生病害，严重影响衬砌的耐久性;黄亮［7］、李江林等［8］认为利用地质雷达检测隧道衬砌质量具有良好的效果;胡晓等［9］对隧道衬砌质量检测中地质雷达图像特征进行了研究;鲁建邦［10］对地质雷达探测过程中干扰物的图像识别进行了研究;蒋昌华等［11］指出了地质雷达在隧道衬砌质量检测中的一些不足，如空洞的深度较难准确判断、衬砌中回填片石不能准确识别等问题。

在用地质雷达进行隧道衬砌质量检测过程中常会出现一些问题，如采集信号干扰大、采集信号偏弱、界面反射信号不明显、衬砌厚度不能准确提取、病害信号无法辨识、病害位置显示不准确等。这些问题中有些是地质雷达自身的问题，有些则是检测者操作的问题。根据作者多年的隧道衬砌质量检测经验，从现场操作方面阐述了提高地质雷达检测隧道衬砌质量的几点措施。

1 地质雷达探测基本工作原理

地质雷达是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是:由发射天线向地下发射高频电磁脉冲波，该电磁波在地下传播过程中遇到不同目标体(岩土体、空洞等)的电性介面时，就有部分电磁能量被反射回来，这部分电磁信号被接收天线所接收，并由主机记录，从而得到电磁波从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t［1］;根据接收到波的双程走时、幅度频率与波形变化资料，可以推断出介质的深度及内部结构等特征参数。地质雷达检测原理如图1所示。

图1 地质雷达检测原理图Fig．1 Testing principle of ground penetrating radar

雷达波的穿透深度主要取决于目标介质的电性和雷达天线的中心频率。介质的导电率越高，穿透深度越小，导电率越低，穿透深度越大;天线中心频率越高，穿透深度越小，天线中心频率越低，穿透深度越大。

地质雷达在野外采集的原始数据需要经过数据处理，得到有助于解释的数据或图像。原始资料中既包含有用信息，也包含各种噪声，有些情况下，有用信息可能会被噪声掩盖。数据处理的目的是压制噪声、增强信号、提高资料信噪比，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息，帮助解释人员对资料进行解释。

2 地质雷达隧道检测的几个常见问题及处理措施

2．1 数据采集中增益设置问题

地质雷达系统的增益定义为最小可探测到的信号电压或功率与最大的发射电压或功率的比值，通常用dB作为单位。如果以Qs表示系统的增益，Pmin为最小可探测信号的功率，P0为最大发射信号的功率，则有

地质雷达探测时，增益的设置是一个重要环节，如果增益设置不好，测量值过大或过小都会影响目标体的探测。许多刚刚从事地质雷达隧道质量检测的工作人员往往不重视现场的增益设置，甚至认为现场增益设置不合适可以通过后期数据处理软件中的增益处理来弥补，这是非常错误的认识。事实上，如果现场采集增益选择不好，一旦数据被记录以后，很难通过数据处理的办法来增强异常。

地质雷达系统具有2种增益设置方式，即自动增益设置方式和手动增益设置方式。隧道衬砌质量检测过程中较多采用自动增益设置，即将地质雷达天线与隧道衬砌界面密贴，通过系统自动给出适合当前介质环境的增益参数。但是，如果现场选择的增益地点衬砌背后存在明显脱空和空洞，雷达系统给出的增益设置则很可能不适合正常的数据采集，致使病害反射信号减弱甚至消失，这一点在进行隧道初期支护喷射混凝土质量检测时尤为明显。

要解决这一问题，应尽量选择在边墙喷射混凝土密实度较好的地段进行增益设置(边墙喷射混凝土密实与否可通过传统的现场锤击听声法确定)，尽量避免在拱部位置进行增益设置，因为隧道拱部位置往往容易发生空洞和脱空等病害。此外，现场增益设置时，应注意雷达天线尽量远离干扰物，如隧道内的电线、金属台架等。

2．2 病害识别和干扰图像辨识问题

采用地质雷达方法对隧道衬砌进行质量检测的重要目的就是找出隧道衬砌的病害，如喷射混凝土不密实、衬砌背后空洞和脱空等。因混凝土、空气和水的相对介电常数相差较大，电磁波在介质分界面会产生强反射，在雷达图中有明显反应，典型的病害雷达图见图2—4。其中，衬砌不密实在雷达图中表现为团块状较强反射异常，信号波形紊乱(因隧道超挖，用片石回填，片石间存在空隙而造成不密实，在雷达图像中表现出杂乱的强反射，见图2);空洞在雷达图中表现为弧形多次强反射;脱空在雷达图中表现为成层状的强反射信号特征，其纵向尺寸与空洞厚度比值较大。

图2 衬砌不密实雷达图Fig．2 Ⅰmage of incompact lining obtained by radar

图3 衬砌空洞雷达图Fig．3 Ⅰmage of hollow lining obtained by radar

图4 衬砌脱空雷达图Fig．4 Ⅰmage of separated lining obtained by radar

因隧道内结构和环境复杂，干扰因素多，采集到的数据中往往包含许多干扰信号，若在分析中没有将这些干扰信号辨别，很可能对病害进行误报。隧道内典型的避车洞、预埋管和台架干扰信号雷达图见图5—7。

要想提高隧道病害识别和干扰图像辨别的准确度，只了解隧道内典型病害和干扰信号雷达图是不够的，检测者必须熟悉隧道的设计和施工技术，有针对性地寻找雷达图中的病害信号。如隧道超挖严重时，初期支护拱架后往往存在背后脱空和空洞等病害，在雷达图中一般在深度为20～40 cm位置处开始出现异常强反射;二次衬砌和初期支护间的病害往往存在于隧道拱部，两模交界地段常出现不密实和空洞等病害。另外，对于隧道内明显的干扰源要仔细做好记录工作，现场记录越详尽，越有利于对数据的内业分析;同时，应准确判别异常信号是来源于衬砌内，还是隧道内其他干扰源。当天线在移动中与衬砌表面距离产生变化时，衬砌与围岩之间的反射信号与表面反射信号同步变化，而隧道内干扰源的各种反射波则表现为反向变化，形成明显的反差，依此可判定反射波是来自于衬砌内还是隧道内。

图5 避车洞雷达图Fig．5 Radar image interfered by niche

图6 预埋管雷达图Fig．6 Ⅰmage of embedded pipes obtained by radar

图7 台车和台架干扰雷达图［10］Fig．7 Radar image interfered by formwork trolley and working platform

2．3 隧道衬砌厚度检测问题

采用地质雷达进行隧道衬砌厚度检测时，需要知道雷达电磁波在衬砌介质中的传播速度v和电磁波在衬砌底面反射的双程走时t。电磁波在衬砌介质中的速度主要由介质的相对介电常数ε决定，而衬砌底面反射的双程走时t主要取决于反射底面的精确拾取。在实际检测过程中，通常采用在衬砌上钻孔直达围岩，然后丈量衬砌厚度d，再根据孔旁雷达波反射的双程走时 t，反算波速 v的方法［12］。

由于丈量衬砌厚度和拾取反射底面存在误差，使得反算得到的波速v也存在一定误差;同时，由于隧道内衬砌混凝土密度、强度的离散性以及混凝土的固化程度、原材料的差异性等原因，电磁波在同一隧道不同地段衬砌混凝土介质中的波速v存在一定差异，有的差异甚至达到10%，对衬砌厚度的计算造成较大影响。

为提高采用波速的精度，应多选取几个钻孔位置，测算出波速并取平均值。若在一条隧道中测取3～5个波速值，误差可以降到5%以内。还可以采用微电测深法定点测波速(精度高达±2 cm)，其测量方法简单，不必打孔，可实现多次测量衬砌厚度的目的［8］。经验表明，采用平均波速法，地质雷达探测隧道衬砌厚度的绝对误差可控制在5 cm。

2．4 隧道衬砌质量检测里程定位问题

用地质雷达进行隧道衬砌质量连续检测时，可选用距离触发方式或时间触发方式。距离触发方式是在雷达天线上安装测距轮，检测时让测距轮和隧道衬砌表面密贴，随着雷达天线的向前移动，测距轮随之旋转，测距轮中的感应器可根据测距轮尺寸和测距轮转动圈数给出天线移动的距离。采用距离触发方式，在雷达记录数据中可直接显示里程信息，不需要额外的内业处理，但现场采集数据往往耗时较长，且对现场操作人员要求较高。因隧道衬砌凹凸不平，尤其是进行隧道初期支护质量检测时，测距轮和衬砌结构表面密贴不好，常出现测距轮漏转现象，致使系统给出的记录长度和实际检测长度不符，有的甚至差别较大。时间触发方式则是在雷达天线移动过程中人工打标记(通常每5 m或10 m打一个标记)，此方法和距离触发方式相比外业耗时较少，但后期数据处理时需通过删减和距离归一化等操作确定里程位置;且该触发方式要求雷达天线在检测过程中匀速移动，这一点在现场检测过程中往往很难保证，致使标记之间的具体里程位置出现误差。

在隧道衬砌质量检测中应用较多的是时间触发方式。为提高检测精度，现场采集时，要求尽可能控制好雷达天线的移动速度，保持匀速运行，以减小里程内插误差;同时，现场应做好详尽的记录，以利于数据分析时更精确的定位里程。经验表明，采用时间触发方式，现场检测里程定位绝对值误差通常可以控制在0．5 m以内。

3 结论与讨论

1)地质雷达参数选择、现场增益的效果和作业环境等对探测结果的准确性起着重要作用。为提高准确性，增益设置应尽量在边墙喷射混凝土密实度较好的地段进行，并远离隧道内干扰物。

2)增强隧道衬砌病害的识别能力是一个积累的过程，检测者必须熟悉隧道的设计和施工技术，有针对性地寻找雷达图中的病害信号，不断地积累现场检测和室内分析经验。

3)在隧道衬砌厚度检测中，为提高采用波速的精度，可采用平均波速法，同时，还可辅以微电测深法。实践经验表明，该方法对控制测量误差很有效果。

4)建议隧道衬砌质量检测时采用时间触发方式，应尽可能保证雷达天线匀速移动，并做好详尽的现场记录。

［1］李大心．探地雷达方法及应用［M］．北京:地质出版社，1994．

［2］曾昭发，刘四新．探地雷达原理与应用［M］．北京:电子工业出版社，2010．

［3］时元鸿．应用地质雷达电磁波反射检测隧道衬砌质量缺陷［J］．铁道勘察，2008(4):63-66．(SHⅠYuanhong．Reflection examination of tunnel lining quality flaw with geological radar electromagnetic wave［J］．Railway Ⅰnvestigation and Surveying，2008(4):63-66．(in Chinese))

［4］路刚．地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用［J］．隧道建设，2012，32(4):29-33．(LU Gang．Application of geological radar in quality detection of railway tunnel lining［J］．Tunnel Construction，2012，32(4):29-33．(in Chinese))

［5］宋明艺，王立国．地质雷达在隧道衬砌质量检测与监测中的应用［J］．工程地球物理学报，2009(4):85-89．(SONG Mingyi，WANG Liguo．Application of GPR in the quality detection of the tunnel liner［J］．Chinese Journal of Engineering Geophysics，2009(4):85-89．(in Chinese))

［6］康富中，齐法琳，贺少辉，等．地质雷达在昆仑山隧道病害检测中的应用［J］．岩石力学与工程学报，2010(S2):205-210．(KANG Fuzhong，QⅠFalin，HE Shaohui，et al．Application of ground penetrating radar to disease detection of Kunlun Mountain tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010(S2):205-210．(in Chinese))

［7］黄亮．地质雷达技术在隧道衬砌质量检测中的应用研究［J］．公路隧道，2011(4):14-17．(HUANG Liang．Study on applying geological radar to quality inspection of tunnel lining［J］．Highway Tunnel，2011(4):14-17．(in Chinese))

［8］李江林，关淑萍．探地雷达在隧洞衬砌质量检测中的应用［J］．隧道建设，2010，30(1):7-11，49．(LⅠJianglin，GUAN Shuping．Application of ground penetrating radar in quality inspection of tunnel lining［J］．Tunnel Construction，2010，30(1):7-11，49．(in Chinese))

［9］胡晓，陈厚德，吴宝杰．隧道衬砌质量检测中探地雷达图像特征研究［J］．浙江交通职业技术学院学报，2010(1):17-20．(HU Xiao，CHEN Houde，WU Baojie．Study of ground-penetrating radar images in quality inspection of tunnellining［J］． JournalofZhejiang Ⅰnstitute of Communications，2010(1):17-20．(in Chinese))

［10］鲁 建邦．地质雷达探测过程中干扰物的图像识别［J］．隧道 建 设 ，2011，31(6):50-53．(LUJianbang．Ⅰnterpretation of interfering factors in detection by geological radar［J］．Tunnel Construction，2011，31(6):50-53．(in Chinese))

［11］蒋 昌华，李林，孙凯．地质雷达在隧道衬砌检测中的应用:渝怀铁路武隆隧道衬砌检测［J］．工程科技，2004(2):39-45．

［12］钟 世航．提高探地雷达检测隧道衬砌效果的几点措施［J］．勘察科学技术，2004(6):65-68．(ZHONG Shihang．Measures about raising the effect of checking tunnel lining using georadar［J］．Site Ⅰnvestigation Science and Technology，2004(6):65-68．(in Chinese))