地质雷达法检测隧道底部缺陷图像演示及实例分析

张 琳 （安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230032）

0 前言

对于隧底质量检测问题，钻芯法是最直观、最可靠的方法，但是钻芯法属于半破损检测方法，衬砌是隧道工程主要的承重结构和最后的防水屏障，对衬砌钻孔，必然造成结构的局部损伤，可影响到衬砌的整体性和刚度，也影响着隧道的美观，且此方法比较费劲成本也颇高。地质雷达法作为一种无损检测方法，能快速、有效的对隧底进行探测，但混凝土为各向异性介质，电磁波在混凝土中会产生大量的散射及绕射现象，采集到的雷达图像异常复杂。隧底中主要缺陷有隧底厚度不足、隧底含虚渣及隧底充填洞砟，通过对隧底各缺陷进行演示模拟，分析不同缺陷的雷达图像特征，为隧底衬砌混凝土病害检测积累经验。

1 地质雷达探测基本原理

1.1 地质雷达探测理论基础

地质雷达探测的理论基础是依据麦克斯韦方程式关于探测介质的特性的表达。

该方程式解释了电磁波的传播与地下介质的介电常数及电导率的关系，以此来作为地质雷达探测的理论基础。

1.2 地质雷达探测基本原理

地质雷达是通过发射天线T将高频电磁波以脉冲波形式向隧底发射，电磁波在隧底衬砌混凝土中传播时，遇到两种不同介质的分界面时，电磁波将产生反射，反射回来的电磁波经接收天线R接收，生成雷达图像，通过对雷达图像进行处理、分析，达到探测隧底缺陷的目的（图1）。

发射天线发射的电磁波传播到两种不同介质的分界面上时，将产生反射现象。在界面上的反射遵守反射定律，反射强度取决于反射系数R。

式中：ε1、ε2分别为分界面上、下介质的相对介电常数。

由式（5）可知，当电磁波传播到介电常数分界面上时，电磁波反射波的能量与入射波的能量将会产生变化，界面上、下介质存在差异时，在雷达图像上反应为正、负峰值的强反射。隧底中存在的充填洞砟、隧底含虚渣及厚度不足等缺陷与周围介质存在明显的介电常数差异。

图1 雷达探测原理示意图

1.3 测线布置及数据采集

雷达天线易受隧道内金属及电源干扰，现场检测时，应提前将可能的各种干扰源移除；当无法避免时，应记下干扰源属性及对应里程。数据解译时要注意排除外部条件对图像的干扰。

2 隧底缺陷的模拟演示及图像特征

地质雷达可以探测到隧底中存在的隧底厚度不足、填充洞砟及隧底含虚渣等缺陷，这些隧底缺陷在雷达图像上有着各自不同的图像特征，主要表现在雷达图像的波形特征、频率、振幅、相位和反射波能量等方面[1-5]。

2.1 隧底结构完好

隧底结构层主要有初支、仰拱及填充层，各结构层内介质相对均匀、电性差异小，层内不存在明显的介电常数差异现象，正演模型如图2所示。在隧底结构完好时，电磁波在各层内衰减缓慢，不形成较强的反射波组，仅在结构层分界面上才出现较强反射，模拟结果中出现的弧形多次反射为钢筋的反射信号，因为材料的导电性越强，电磁波对其穿透能力越差，所以大量电磁波信号被钢筋阻挡，反射回接收天线，仰拱与初支的界面则不能清晰分辨，如图3所示。

图2 隧底结构完好模型

图3 隧底完整模型的数值模拟成果图

2.2 隧底填充有洞砟

在隧底施工过程中，由于施工环境及质量把控不严，存在将洞砟填充到隧底中，由于混凝土不能将块石完全紧密包裹，因而会造成遂底混凝土不密实，使得隧底承载能力下降，严重的将直接威胁到列车的行车安全。

洞砟的介电常数较素混凝土的大，两者介电常数差异明显，在此基础上建立了如图4的数值模型。正演模拟结果显示，在洞砟上方会产生较强的反射现象，并伴有一定的衍射现象，同相轴不连续，因洞砟的相对介电常数较混凝土大，在混凝土与洞砟交界面上，电磁波由相对介电常数小的介质向大的介质传播，由反射系数公式可知，反射系数为负，即电磁波传播到交界面后，电磁波相位与入射波相位相反；而在填充物的底部，电磁波则是由相对介电常数大的介质向小的介质传播，反射系数为正，即电磁波相位与入射波相位同相，如图5所示。

图4 隧底填充洞砟模型

图5 隧底填充洞渣模型的数值模拟成果图

2.3 隧底厚度不足

隧底厚度不足相当于在结构中产生了一薄弱截面，使隧底结构的承载力下降，同时薄弱截面处的截面惯性矩、刚度也会发生变化，导致结构整体受力的变化，对隧底的长久稳定以及使用功能的正常发挥都会造成很大影响，严重的甚至会带来灾难性安全事故[6]。对隧底厚度是否满足设计要求主要根据混凝土底板与围岩的交界面深度来判断，为此设计了厚度变化的正演模型（图 6）。

由模拟结果（图7）可知，混凝土与围岩（持力层）交界面清晰，同相轴较连续、不平整，在角点处衍射较为严重。地质雷达的探测基础是存在介电差异，因此，在围岩与混凝土介电常数差异不大，且两者胶结较好时，地质雷达将无法分辨出两者的交界面，即无法判定隧底厚度是否满足设计要求。

2.4 隧底含虚渣

隧底含虚渣主要在隧道围岩级别为Ⅱa级位置，是因为围岩爆破后，混凝土浇筑前遂底围岩面上破碎的碎石未清洗干净或因超挖而用碎石回填所导致的隧道底板与围岩之间存在一层松散的虚渣的现象[6]，即实体混凝土与围岩之间存在分层未作为整体承受荷载。根据此缺陷的特征设计了正演模型，如图7所示。

图6 隧底厚度不足模型

图7 隧底厚度不足模型的数值模拟成果图

由数值模拟成果可知，电磁波在虚渣区域会产生强反射现象，同相轴不连续、不平整，且会产生多次反射现象，电磁波快速衰减，电磁波由填充层入射到虚渣区域为相对介电常数大往介电常数小的介质传播，反射系数为正，电磁波相位与入射波的相同，即表现为“黑白黑”，如图9所示。

图8 隧底含虚渣模型

图9 隧底含虚渣的正演模拟结果

3 实例分析

3.1 实例一

此异常位于某铁路工程DK158+702～DK158+706右侧隧底位置，设计资料显示，此检测段围岩级别为Ⅲc，填充厚度119cm，混凝土标号为C20，仰拱厚度40cm，混凝土标号为C30。雷达图像显示DK158+702～DK158+706段隧底 0.45～1.50m 处有明显异常，如图10所示，电磁波有较强反射，同相轴不连续，在0.45m处交界面上的反射波相位为正，与雷达子波相位相反，根据反射定律表明界面下方介质相对介电常数较混凝土介电常数大，而在1.50m处界面，相位为负，与雷达子波相位相同，表明界面下方介质较上面介质介电常数小，根据隧底设计资料可判断0.45～1.50m处异常为洞砟。为对雷达解译结果进行验证，在DK158+704处进行钻芯验证，钻芯结果显示，0.47～1.02m处为完整块状洞砟，如图11所示。

图10 DK158+702～DK158+706右侧隧底雷达图像及DK158+704处的单道波形

图11 DK158+606左侧隧底取芯结果

3.2 实例二

此异常处位于某铁路工程DK185+318～DK185+324左侧隧底位置，设计资料显示，此检测段围岩级别为Ⅱa，填充厚度10cm，混凝土标号为C20。雷达图像显示隧底0.46～1.39m处有明显异常，如图12所示，电磁波有较强反射，反射界面不规则；单道波形显示在隧底0.32m处出现正向强反射，根据反射定律及隧底结构分析，此反射层为混凝土与隧底的分界面，在0.32～1.05m间出现大量的正、负向强反射，表明此区间存在大量的介质交界面，根据雷达波形及单道波形综合判定，此异常为隧底虚渣。为对雷达解译成果进行验证，在DK185+320处进行钻芯验证，钻芯结果显示在0～0.26m为混凝土芯样，0.26～0.46m为虚渣，0.46～0.59m为持力层，如图13所示。

图12 DK185+318～DK185+324左侧隧底雷达图像及DK185+320处的单道波形

图13 DK185+320左侧隧底取芯结果

4 结语

本文从电磁波波形特征、频率、振幅、相位和反射波能量等方面对实测结果进行分析，可得出以下结论。

①根据标定的隧底混凝土的介电常数，地质雷达能清晰的探测到隧底各结构层的分界面，可大致判定各结构层的厚度。

②根据缺陷在雷达图像上的特征，可探测出隧底中含有的缺陷及判定缺陷属性。

③地质雷达法检测隧道衬砌缺陷，具有较好的探测效果，但其解译结果具有多解性，因此对于检测结果需进行钻芯验证，以及依据大量经验的积累与总结综合判断其最终检测结果。