探地雷达技术在公路隧道衬砌质量检测中的应用

■　池毓伟（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州　350004）



探地雷达技术在公路隧道衬砌质量检测中的应用

■池毓伟
（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350004）

摘要简要地介绍了探地雷达技术检测原理及组成，数据采集方式与测量参数的选择和图像特殊处理方式，总结了探地雷达隧道衬砌质量一般信号判读标准；用试验模型和取芯法进行验证，检测结果表明探地雷达数据精度高，误差小。针对福建地区采用探地雷达技术检测公路隧道衬砌质量的典型雷达图像进行了分析，为工程质量评价提供了可靠的数据。

关键词探地雷达公路隧道衬砌质量检测

1　引言

近年来，随着高速公路建设规模日益增大和国省道改造升级日渐增多，新建公路隧道的规模、数量也逐年递增。隧道工程作为隐蔽性工程，由于在施工过程受各种不利因素的影响，容易导致隧道衬砌质量缺陷。而以往检测人员在检测隧道衬砌质量时，通常使用稳态面波法、超声波法和钻孔取芯法，但这三种方法都存在不同程度的弊端，也难以真实反映隧道的施工质量。稳态面波法、超声波法工作效率低，无法连续测量；钻孔取芯法工作量大、效率低下、代表性低，更有甚者，容易对防水层造成破坏，给日后运营带来了安全隐患。探地雷达技术作为现代地球物理勘探技术领域最新成果的结晶，不仅可以连续测量且具有不破坏性，是一种行之有效的无损检测技术。本文结合自己的工程实践，就探地雷达技术在隧道衬砌质量检测中的应用进行简要介绍。

2　探地雷达检测原理及组成

2.1探地雷达检测原理

探地雷达方法属于电磁探测法，其主要原理是利用探地雷达发射天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播过程中，当遇到不同介电常数的介质界面时，就会发生反射和透射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图像，通过对雷达图像的判读，判断出地下目标体的空间位置、结构、电性和几何形态等情况。从而达到对隐蔽目标体的探测。探地雷达检测原理如图1所示。

探地雷达工作时，由发射天线向地下介质发射一定中心频率的高频电磁脉冲波，经目标体发射后返回地面，被接收天线所接收

电磁波行程时间（t）计算式为：

式中：Z——目标体的厚度；x——发射、接收天线的距；V——电磁波在介质中的传播速度。

电磁波在介质中传播速度随着介质变化而变化。其传播速度（V）：

式中：C——电磁波在真空中的传播速度；εr——介质的相对介电常数，μr——介质的相对磁导率。

图1　探地雷达工作原理示意图

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关。界面电磁波反射系数（r）：

式中：r——界面电磁波反射系数；

ε1——第一层介质的相对介电常数；

ε2——第二层介质的相对介电常数。

探测目标体的厚度（Z）计算式：

式中：Z——目标体的厚度；

t——电磁波行程时间。

2.2探地雷达的组成

探地雷达目前运用到工程领域的种类很多，然而其组成基本一样，主要包括控制单元、发射机、接收机、天线、信号处理机、成像显示设备和电源等。

3　探地雷达采集方式及测量参数的选择

为提高检测结果的真实性和可靠性，数据采集方式与参数选择是隧道工程质量检测重要关键的环节之一。目前数据采集有多种方式，考虑到隧道衬砌质量检测的特殊性，一般常采用点采集的方式，这种方式利用测量轮触发天线控制开关，可自动、均匀、连续、高效地记录数据。在进行探测之前，除了需要确定合理的测量方法外，探测时根据现场实际情况，应正确选择测量参数，主要包括天线频率、点距、时窗、采样间隔、叠加次数、垂直分辨率和水平分辨率。

4　探地雷达图像特殊处理方法

在检测过程中，由于各种因素的影响，野外采集的原始数据文件采用常规的数据处理方法外，为提高雷达图像分析的准确性，对采集得到的雷达图像进行一些特殊处理。主要有以下方面：（1）水平及垂直高通滤波主要消除平直横跳的系统噪音；（2）水平及垂直低通滤波主要消除高频噪音；（3）反褶积滤波主要是增强垂直方向分辨率；（4）偏移滤波主要是消除绕射波和倾斜干扰波；（5）空间域滤波主要是增强倾斜界面信号。

5　探地雷达信号判读

根据探测目标体不同所形成的信号具有显著的特征，通过大量的实践和总结，检测公路隧道衬砌质量一般信号判读如下：

（1）密实：衬砌界面反射信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号。

（2）不密实：衬砌界面反射信号较强烈，同相轴错断，波形杂乱，一般区域化分布。

（3）空洞：衬砌界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常不规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

（4）脱空：衬砌界面反射信号强，呈带状长条形或三角形分布，三振相明显，通常有多次反射信号。

（5）钢筋网：连续的小双曲线形强反射信号。

（6）钢拱架：单个的月牙形强反射信号。

6　探地雷达检测隧道验证结果

为确保探地雷达技术检测结果真实性和科学性，在隧道现场，制作隧道衬砌预设已知大小的空洞、脱空层、钢筋网等试验模型，用探地雷达技术检测进行比对，通过数据分析，表明数据准确，结果可靠。并对福建地区选定5条高速公路不同隧道二次衬砌厚度进行检测，同时钻孔取芯检测二次衬砌厚度，如表1所示，偏差率最大为1.0％，最小为0.5％，精度满足要求。

表1　探地雷达检测隧道二衬厚度与钻孔取芯结果对比

说明：用美国劳雷公司（SIR-30E）对隧道二衬厚度进行检测。

7　隧道衬砌质量检测实例

衬砌是隧道的主要承载结构，也是隧道防水的重要设施，其施工质量对隧道长期稳定发挥着重要的作用，因此，对隧道衬砌质量检测显得十分重要。以下为福建某高速公路项目多座隧道衬砌质量用美国SIR-30E并配置（100MHz～1500MHz）天线的探地雷达检测工程实例。

7.1检测内容

利用探地雷达技术检测公路隧道衬砌的内容主要包括：隧道衬砌厚度；衬砌混凝土的密实程度；衬砌背后脱空层及空洞；施工时塌方位置及处理情况；钢筋网、钢拱架分布情况等。

7.2检测方法

探地雷达用于隧道衬砌质量无损检测，对单洞双车道隧道检测时布设沿隧道走向的3条纵向测线，多车道时测线相应增加，分布在隧道的拱顶（B测线）、两侧拱腰（A、C测线），如图2所示。采用连续测量的方式，为保证探地雷达时间剖面各测点位置与实际检测里程相对应，在检测时以测量轮跟踪测量里程，并且在隧道边墙每隔10m做一个里程标记，以校正剖面上的里程桩号，检测时，天线紧贴洞壁，保持匀速运动，以免人为产生假异常。

7.3典型雷达图像分析

7.3.1隧道衬砌厚度检测

探地雷达检测某隧道衬砌层厚度部分剖面图，如图3所示。图中二次衬砌混凝土、初期支护及围岩的界面较为清晰，其中二衬砌混凝土厚度在35cm～39cm之间，初期支护厚度约为12cm，而在桩号K89+968处，初期支护厚度约为0cm。

图2　某高速公路双车道探地雷达隧道测线布置图

7.3.2隧道衬砌层钢筋网与钢拱架检测

探地雷达检测某隧道衬砌层钢筋网部分剖面图，如图4所示。从图像上可以清晰看出有规律的连续的小双曲线形强反射信号，其中较多突起的顶部表示每根钢筋所在的位置，可以判读每根钢筋的具体位置和钢筋间距。

图4　某隧道衬砌层钢筋网测试图

探地雷达检测某隧道钢拱架部分剖面图，如图5所示。从雷达图像上呈现出单个的月牙形突起为钢拱架反射信号，可以判读每榀钢拱架的具体位置和钢拱架间距。

图5　某隧道初期支护中钢拱架测试图

7.3.3隧道衬砌连续脱空

探地雷达检测某隧道拱顶部分剖面图，如图6所示。从图中可清楚地看出，初期支护与二衬之间的脱空，在水平桩号K4+541m～K4+558m处雷达波的波幅反向，波的发射强烈。脱空层的厚度约20cm，呈现出连续的脱空异常。

图6　某隧道拱顶衬砌连续脱空测试图

7.3.4衬砌与围岩间三角形空洞

探地雷达检测某隧道衬砌部分剖面图，如图7所示。从图中可清楚地看出，隧道衬砌顶部出现了典型的三角形空洞。在桩号K0+472m～K0+476m形成了三角形空洞，该空洞离隧道表面最浅处埋深约20cm。

图7　某隧道砌与围岩间三角形空洞测试图

7.3.5钢拱架后部存在的空洞

探地雷达检测某隧道初期支护部分剖面图，如图8所示。从图像可清楚地看出在钢拱架后部存在2处异常，其中在桩号K6+937--K6+939和K6+943--K6+946处为空洞异常，离隧道表层最浅处埋深约20cm。

8　结语

探地雷达技术作为一种高效的无损检测技术，具有高效率、高精度、高分辨率、成果直观且连续测量等特点，探地雷达技术应用于隧道衬砌质量检测为工程质量评价提供了的可靠数据，在隧道质量检测工作中显示出其无可比拟的作用。但由于在检测过程中会有很多的干扰因素存在，广大检测人员不断研究和积累经验，正确识别干扰，提高对雷达图像异常状况的正确判断。在不久的将来，探地雷达技术将会在公路建设领域发挥越来越重要的作用。

图8　某隧道钢拱架后部存在的空洞测试图

参考文献

［1］黄南晖.探地雷达探测的波场分析地球科学［J］.1993，（3）.

［2］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，1994.

［3］程乾生.信号数字处理的数学原理［M］.北京：石油工业出版社，1996.

［4］李沫，贾俊凤.地质雷达技术在隧道质量检测中的应用［J］.工程质量，2007，（3）.

［5］王土革，乐金朝，马清文.探地雷达技术在隧道围岩深层病害检测中应用［J］.西部交通科技，2010，（4）.

［6］周绪利.道路工程监督检测优秀论文集［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.