公路隧道衬砌结构雷达检测结果解译方法探讨

赵文轲 秦 峰 王连成

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

公路隧道衬砌结构雷达检测结果解译方法探讨

赵文轲 秦 峰 王连成

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

介绍了地质雷达检测衬砌的原理与检测数据的处理流程，从二次衬砌结构厚度、钢筋分布、密实情况三方面，探讨了公路隧道衬砌结构雷达检测结果的解译方法，有效提高了地质雷达检测结果的直观性和准确性。

隧道衬砌，地质雷达，解译方法，钢筋

0 引言

随着我国公路事业的快速发展，公路隧道衬砌病害问题也随之而来。地质雷达无损检测也被广泛的应用到隧道建设运营过程中去，如隧道运营中二次衬砌空洞造成的渗漏水、衬砌密实情况和钢筋分布情况的检测验收等等，并且随着地质雷达无损检测方法的日趋成熟，该项方法也已经被列入规范中去。但是地质雷达作为一种方法，检测结果提供的是一种数据，提供的是雷达图像，数据经过处理后很多病害问题需要有经验并且了解隧道衬砌结构的人员进行解释、解译。怎样尽量将大量的检测数据和图像呈现出来，指导隧道衬砌病害的处置及设计是非常重要的。本文将探讨公路隧道衬砌结构病害的地质雷达检测结果的解译方法。

1 地质雷达检测衬砌原理及应用情况

地质雷达法通常是一种甚高频至微波段电磁波反射探测法，它利用发射器通过发射天线向隧道衬砌与中定向发射电磁波，工作时天线密贴在衬砌表面，仪器与工作人员均在高空作业车上或汽车内，共同随汽车的匀速行驶向前移动。传播的电磁波当遇到有电性差异的界面时即发生反射，通过反射情况计算深度，再根据反射波的形状、线度及其在横向和纵向上的组合特征和变化情况，结合检测对象的结构特征，判断目标性质即进行目标识别，进行地质解释，如衬砌厚度、空洞和钢筋分布等(见图1)。

根据雷达电磁波传播原理，可导出地质雷达方程为：

(1)

其中，Pr为接收机接收到的功率，W；Pt为发射机发射功率，W；R为天线到目标的距离，m；Ar为天线有效面积，m2；G为天线增益，dB；Q为目标截面面积，m2；λ为空气中的雷达波波长，m；f为雷达中心工作频率，Hz；c为真空中的雷达波速度(光速)，3×108m/s。

(2)

其中，ω，σ，ε，εr，μ，υ分别为角频率、电导率、介电常数、相对介电常数、磁导率、介质的雷达波传播速度。再通过速度和传播时间计算深度。

对于病害公路隧道，采用地质雷达检测，可充分利用地质雷达的特点，通过电磁波在介质中的传播特性，了解衬砌内部的结构组成，找出结构缺陷及病害位置。一般选取中心频率为400 MHz～900 MHz的雷达天线，可检测隧道二次衬砌、初期支护及背后围岩内部结构及密实情况等。

隧道衬砌现场检测时，由于隧道结构的特殊性，一般布置3条～9条纵向测线(特殊情况下布置环形测线)，检测时，利用检测车或门式脚手架以3 km/h～5 km/h的车速进行检测。雷达现场检测方式与测线布置示意图见图2，图3。

2 地质雷达检测数据处理流程

地质雷达检测数据，通常的处理步骤有：截取直达波(地面调整)、滤波、增益调整、编辑剪切、距离归一化、里程调整、反褶积、偏移归位、希尔伯特变换、傅里叶变换等，如图4所示。地质雷达检测结果的解释，最终都以数据或者图形的形式呈现。

3 检测结果解译方法探讨

公路隧道衬砌常见的结构病害有：二次衬砌厚度不足，二次衬砌不密实，二次衬砌钢筋缺失、初期支护钢架缺失等等。针对这些常见病害，该如何解译，将检测结果有效并且直观呈现出来，是下面讨论的主要内容。主要从二次衬砌厚度、钢筋分布和密实情况来讨论。

3.1 二次衬砌结构厚度

通常情况下二次衬砌厚度检测结果都是以数字结果呈现，相关规范也要求了按一定间距进行检测并提供厚度值，但对于公路病害隧道，衬砌结构在处置前的地质雷达检测需要提供大量更详尽的数据，且要将这些数据更直观的呈现在报告中。为此，通过大量的实践，我们通常将二次衬砌厚度结果呈现为除数据之外的另外两种形式：二次衬砌厚度曲线图和二次衬砌厚度等值线图。

3.1.1 二次衬砌厚度曲线图

将地质雷达判读的二次衬砌厚度和设计厚度同时绘制在图表中，如图5所示。这种图表能直接准确的将雷达测线范围内检测到的衬砌厚度值和设计厚度值对比，直观判断衬砌欠厚的段落、范围和程度，给病害处置设计和施工提供更直观的结果。衬砌厚度曲线图理论上需要更详尽的检测厚度数据，根据测线里程，数据间隔越小，曲线越平滑，但这又受限于雷达的扫描速率和数据的处理工作量，通常我们建议按0.05 m～0.5 m的里程间距厚度值进行绘制厚度曲线图，尽量不要超过0.5 m，避免检测厚度曲线图出现锯齿状和失真。

3.1.2 二次衬砌厚度等值线图

二次衬砌厚度等值线图则是更进一步将雷达检测的多条纵向测线的二次衬砌厚度值综合起来绘制成一副平面的等值线图(见图6)，类似于地面高程的等值线，其中采用了一些插值计算的方法，如克里格插值计算等。二次衬砌厚度等值线图更加直观的将整个隧道衬砌厚度缺陷情况呈现出来，采用不同的等值间隔和色彩绘制，让处置设计和施工者从宏观上了解隧道衬砌的欠厚段落和欠厚位置，利用颜色区分衬砌的欠厚严重程度等。绘制厚度等值线图是一种根据有限的数据插值运算得到的结果，为了保证图像结果的准确度，就要尽可能的加密测线，一般情况我们建议测线数大于7条，单条测线按不大于0.5 m提供判读厚度，这样才能保证厚度等值线图有参考价值。

3.2 二次衬砌钢筋分布

目前的地质雷达检测技术已经能有效的检测二次衬砌钢筋的分布情况，钢筋的数量和内部位置等。采用成熟的解译软件，通过数据处理解释可直接将二次衬砌钢筋的分布情况标注在雷达解释图谱上。病害检测报告根据数据解译情况提供二次衬砌钢筋数量、分布、位置情况及雷达解释图谱(见图7)。

3.3 二次衬砌密实情况

衬砌脱空是公路隧道最常见的病害，也是最容易引起衬砌质量问题的病害。地质雷达检测能有效的判定隧道衬砌结构中不密实脱空的分布情况，但是由于雷达检测方法的局限性，往往只能提供纵向测线范围内脱空的长度分布，不能提供脱空范围的环向分布范围，所以针对一些特殊情况，应增加环向地质雷达测线，充分判定空洞的分布范围。另外隧道衬砌结构复杂情况下，检测人员在判读解释时，应充分了解衬砌结构的设计情况和施工资料，避免将结构预埋件等判读为不密实情况(见图8)。

4 结语

本文针对公路隧道衬砌结构病害的地质雷达检测结果解译方法进行了探讨，提出了雷达数据结果解译时的一些方法，这些方法能有效的提高地质雷达检测结果的直观性和准确性。1)采用二次衬砌厚度曲线图和二次衬砌厚度等值线图的雷达结果解释方法，能使检测结果更直观的展示给使用者，减少错误解读和使用效率；2)二次衬砌钢筋检测结果，对位置、间距和数量的直观图谱呈现，能更准确的提供给结构分析和受力计算者详尽的参数依据；3)二次衬砌密实情况的判读解释应尽量建立在更详尽的检测数据和对衬砌结构充分了解的基础上。

[1] 粟 毅，黄春琳.探地雷达与应用[M].北京：科学出版社，2006.

[2] 金一庆.数值方法[M].北京：机器工业出版社，2002.

[3] JTG F60—2009，公路隧道施工技术规范[S].

[4] 重庆市交通委员会工程质量安全监督局.重庆公路隧道地质雷达检测技术指南[Z].2015.

Discussion on interpreting method of detection results of lining structure radar in highway tunnel

Zhao Wenke Qin Feng Wang Liancheng

(ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.，Ltd，Chongqing400067，China)

This paper introduced the geological radar detection lining principle and the treatment process of detection data, from the secondary lining structure thickness, reinforcement distribution, density situation three aspects, discussed the interpretation method of highway tunnel lining structure radar detection results, effectively improved the intuitiveness and accuracy of geological radar detection results.

tunnel lining, geological radar, interpretation method, reinforcement

1009-6825(2017)05-0192-03

2016-12-05

赵文轲(1984- )，男，硕士，工程师

U455.91

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