探地雷达在水工隧道衬砌质量检测中的应用

余 敏 张 新 唐齐许

（1.中电投云南国际电力投资有限公司 昆明市 650228；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 长沙市 410014）

水工隧道混凝土衬砌是隧道的主要承载结构，其施工质量对隧道长期稳定、使用功能的正常发挥具有很大影响。其常见问题有衬砌与围岩结合部的脱空、衬砌厚度不足、局部裂缝、混凝土不密实、钢筋保护层厚度不足等,因此进行检测非常必要。采用雷达检测技术，分辨率高、图像直观、对场地条件要求较低,对衬砌不产生破坏,经济、无损、快速、直观，成为水工隧道衬砌施工质量检测主要的技术手段。

1 探地雷达原理

探地雷达是一种利用发射天线将高频（10 MHz～1.5 GHz 或更高）电磁波以宽带短脉冲形式传输到地下，电磁波在地下介质中传播时，因介质介电常数变化或几何形状变化而产生相位及回波能量、波形的变化，电磁波发生反射，然后由地面接收天线接收，由计算机将收到不同的波阻抗界面产生的数字信号进行成像处理和分析计算，从而推断地下介质分布、结构形态的一种无损伤检测方法。

探测时，探地雷达由发射天线T 向地下发射电磁波，电磁波在地下介质中传播时，遇到电性差异界面时即发生反射。探地雷达接收天线R 记录下反射回地面的电磁波，通过对携有地下介质地电信息的电磁波进行分析，确定地下介质的空间分布特征。探测原理见图1。

图1 探地雷达工作原理示意图

2 目标体的定位计算

当探地雷达接收到目标体的雷达反射电磁波时，目标体深度可以通过式（1）确定。

式中 V——电磁波在介质中的传播速度（m/ns）；

X——发射天线与接收天线间的距离；

L——目标体在地面的投影点O 到接收天线R 的距离（m）

T——目标体雷达波反射时间（ns），见图2（a）。

当探地雷达到达目标体正上方时，电磁波反射走时最短，此时由式（2）确定目标体深度。

式中 V——电磁波在介质中的传播速度（m/ns）；

X——发射天线与接收天线间的距离；

T——目标体雷达波反射时间（ns），见图2（b）。

图2 雷达反射探测定位计算原理图

经过偏移校正，收发距x 为0，电磁波相当于垂直目标体发射和接收，目标体深度由式（3）确定。

式中 V——电磁波在介质中的传播速度（m/ns）；

C——电磁波在空气介质中的传播速度（0.3 m/ns）；

X——发射天线与接收天线间的距离；

T——目标体雷达波反射时间（ns）；

Εr——相当介电常数。

3 目标体的波形特征

雷达电磁波反射信号的振幅与界面的反射系数和穿透介质对电磁波的吸收能力有关，一般介质的电性差异大，则反射系数大，因而反射波的能量也大。以位移电流为主的低损耗介质，反射系数由式（4）确定：

式中 εr1、εr2——不同介质所对应界面的相对介电常数。

当衬砌混凝土中存在空洞、不密实时，其相当介电常数εr2小于正常衬砌混凝土的介电常数εr1，反射系数r 小于0。

以传导电流为主的金属体（钢筋、钢拱等）时，反射系数由式（5）确定：

式中 ω——电磁波角频率；

εr——目标体的相对介电常数；

σ——目标的电导率。

钢筋属良导体，电导率非常大，反射系数r⊥大于0（接近为1）。对垂直入射的电磁波的能量消耗很少，几乎都被导体表面反射回来。金属目标的反射波幅度一般都大于空洞或其他目标体。

比较金属目标体与空洞的反射系数，说明两者的雷达反射波相位相反，见图3。

图3 金属目标体、空洞雷达反射波示意图

4 探地雷达数据处理分析

介质的不均匀性和对电磁波的吸收，使得目标体反射波幅减小，波形发生变化，原始雷达检测数据需进行相应的预处理，必要的傅里叶变换分析，数字滤波，反褶积，偏移归位等处理或变换，识别干扰波和目标体雷达图像特征，才能形成客观合理的反演剖面成果。

5 工程实例

（1）工程简况。云南某水电工程采用引水式发电，引水隧洞主要置于弱风化、微～新鲜风化的澄江组（Zac）砂岩中，围岩类别以Ⅲ、Ⅳ类为主，采用全断面衬砌，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段设计衬砌厚度40 cm，布置1 层钢筋网，Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段设计衬砌厚度60 cm，布置2 层钢筋网，钢筋直径为25 mm，间距为20 cm，钢筋保护层厚度大于7 cm；在地质缺陷段还布有支撑钢拱。衬砌混凝土强度为C30，内径8.0 m，底坡i＝0.3%。为查明隧洞顶部衬砌混凝土浇筑质量和顶部空隙回填灌浆质量，业主要求开展快速无损检测。

（2）检测方法技术。根据业主要求和现场勘查，拟采用探地雷达开展工作，在隧洞顶拱部位120°弧形截面沿洞轴线布置3 条测线，测线间距2.5 m，测线布置见图4。

图4 雷达测线布置示意图

根据混凝土衬砌厚度和检测精度要求，仪器采用美国地球物理探测公司（GSSI 公司）生产的SIR-3000 型便携式探地雷达，天线主频为900 MHz，测试方式为连续测量；其他基本参数为采样长度512点/扫描线，数据位为16 位，记录长度为18 ns，扫描速度64 线/s,扫描线发射率为100 kHz，滤波为LP（低 通）2.5 GHz、HP（高 通）225 MHz。天线移动速度（0.2～0.4）m/s，数据处理软件为GSSI 公司提供的RADAN6.5 版。

（3）检测结果及处理。根据业主和设计要求，对检测的结果进行分类：脱空异常长度大于等于2 m 或脱空异常区面积大于1.0 m2的Ⅱ类缺陷异常区需要钻孔检测脱空深度，空腔深度大于1.0 cm缺陷段必须作补充回填灌浆处理并补检合格；脱空异常长度小于2 m 或脱空面积小于的1.0 m2Ⅰ类缺陷异常区可不做处理。

引水隧洞桩号引0+000.0 m～引5+412.0 m 段共检测出脱空缺陷异常段525 处，其中Ⅰ类脱空缺陷异常段469 处，脱空缺陷异常段长度（0.3～1.9）m，Ⅱ类脱空缺陷异常段56 处，脱空缺陷异常段长度（2.0～31.3）m。承包商根据检测成果对Ⅱ类脱空缺陷异常段开孔检查,共计开孔56 孔，其中脱空间隙深度大于1.0 cm 的检查孔25 孔，脱空间隙深度（3.0～323.0）cm，其余31 孔脱空间隙深度小于1.0 cm；承包商对Ⅱ类脱空缺陷异常段通过检查孔进行补充回填灌浆处理，补灌孔共64 孔，单孔注灰量（2.19～74 277.10）kg，总注灰量106 874.36 kg，部分Ⅱ类脱空缺陷异常段检查孔和补充回填灌浆资料见附表。

检测方对补充回填灌浆洞段进行复检，复检总测线段长2 260.0 m。复检成果显示，脱空间隙深度大于1.0 cm 的Ⅱ类脱空缺陷异常洞段通过补充灌浆，脱空部位补充灌浆后空隙被有效充填，灌后脱空异常基本消除，效果显著；较小间隙（＜1.0 cm）的脱空部位相对孤立、分散、不连续。局部Ⅱ类脱空缺陷异常段补灌注灰量少，效果不明显，开孔揭露的脱空间隙深度很小（基本小于1.0cm），如桩号引0+032.2m～引0+033.4 m 段、引0+069.8 m～引0+071.0 m、引0+071.5 m～引0+072.0 m、引0+073.0 m～引0+074.0 m、引0+670.0 m～引0+671.4 m 段、引1+389.0 m～引1+392.0 m、引2+595.0 m～引2+597.0 m、引2+854.0 m～引2+856.5 m 段等，从异常特征分析，脱空部位被部分充填，但仍存在局部脱孔或有异物充填。

附表 引水隧洞衬砌混凝土Ⅱ类脱空异常段开孔验证和补灌资料统计表

根据雷达检测成果，补灌前引水隧洞拱顶测线桩号引2+496.0 m～引2+499.2 m 段、引2+546.8 m～引2+549.0 m 段脱空明显，其中桩号引2+496.0 m～引2+499.2 m 段脱空紧贴钢筋网，开孔（桩号引2+498.0 m）揭示该处混凝土厚度只有33 cm，脱空间隙20 cm，补充灌浆注灰2 441.63 kg（相当于约1.2 m3的空腔）；桩号引2+546.8 m～引2+549.0 m 段脱空从浅部（深度约0.2 m）往深部发展，经现场勘查和与施工方沟通，该部位为混凝土浇筑仓位衔接部位（混凝土振捣和施工的薄弱点），开孔（桩号引2+547.5 m）揭示该处脱空间隙11 cm，补充灌浆注灰1 021.25 kg。补灌后，对消缺部位再次进行探地雷达扫查，结果显示，桩号引2+496.0 m～引2+499.2 m 段雷达色谱图由深黑变为模糊的浅白，说明空腔被水泥浆有效充填后，其介电常数与周围混凝土的介电常数差异缩小，电磁波反射回波不明显；桩号引2+546.8 m～引2+549.0 m 段雷达色谱图只显示钢筋网的反射回波信号，脱空形成的反射回波信号基本消失，灌浆效果显著。

6 结语

探地雷达检测技术在水工隧洞衬砌混凝土质量检测中应用效果良好，检测快捷无损，效率高，色谱图影像成果直观，为工程质量消除缺陷隐患处理提供了科学客观的决策依据。

[1]胡少伟，陆俊，牛志国.高速探地雷达在引水隧洞混凝土衬砌质量检测中的应用[J].水利水运工程学报，2010，(2)：1-6.

[2]杨峰，彭苏萍.探地雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社，2010.