地质雷达在隧道衬砌无损检测中的应用分析

吴雪雷

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进交通建设项目的增多。随着我国交通行业的不断发展及公路路网的普及，越来越多的隧道正在建设、建成进而投入到运营当中，伴随而来的是隧道二次衬砌质量问题层出不穷。由于隧道二次衬砌为隐蔽性工程，目前对于衬砌中的缺陷多采用地质雷达进行检测，然地质雷达检测结果受到雷达仪器设备、检测方法、检测人员水平及经验等方面的影响。如何采用地质雷达进行现场检测及波形的分析，对隧道衬砌的缺陷特征进行量化表示，对后续缺陷整治及隧道工程实体质量起着至关重要的作用。本文就地质雷达在隧道衬砌无损检测中的应用展开探讨。

关键词：地质雷达;隧道衬砌;无损检测;应用

引言

隧道建设过程中，分项工程中存在着诸多隐蔽工程，在施工过程中进行质量控制极为重要，但对于完工的隧道和完工已久的隧道，在养护过程中，我们通常只能通过对隧道外观的检测，观察是否二衬有裂缝和漏水等进行一个肉眼观察的判断，对于二衬厚度是否达标和二次内围岩的问题却无从下手，地质雷达为我们提供了很好的检测手段，通过对隧道二衬发射脉冲电磁波，当遇到隧道中的空洞、钢筋、分界面等介质不同体时，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收。这样我们就可以根据接受到的雷达波形，对其进行分析，找出空洞，分界面具体位置，針对目标进行后期修复工作。

1地质雷达在隧道衬砌无损检测中的重要性

由于隧道工程的众多分项、分部工程在建成后多属于隐蔽工程，且检测工程体量庞大，想要通过破坏性检测的方法进行全面的检测不仅不现实，更会破会隧道总体结构的完整性。如隧道衬砌建成后想要探究衬砌的厚度、背后空洞密实情况、钢筋及钢支撑分布情况时，必须通过无损检测的方式对其进行全面检测，目前对于衬砌中的缺陷情况多采用地质雷达进行检测，地质雷达通过发送和接收电磁波的形式，可以实现在对隧道衬砌本身没有任何伤害和破坏的情况下，对隧道的衬砌结构进行数据采集，并通对数据分析，准确掌握隧道衬砌的内部质量情况。地质雷达这种无损检测的方式不但采集的数据准确而且所使用的仪器在资金的投入上属于一次性投入，因此是隧道衬砌质量检测的不二选择。在隧道建设施工过程中可在衬砌混凝土施工完成后及时对其进行地质雷达扫描检测，采集其内部缺陷情况，以便及时采取缺陷整治措施。

2隧道衬砌雷达检测机理

探地雷达（groundpenetratingradar，GPR）利用脉冲电磁波探测隐蔽介质或目标物的位置及分布。发射天线向被测体发射高频宽带短脉冲电磁波，遇不同介电特性介质时电磁波发生部分反射，接收天线接收反射回波并记录反射时间。电磁波在介质中的传播路径（波形）会随所经介质电性、几何形态及尺寸的变化而改变，根据反射回波的旅行时间（双程走时）、幅度频率及纵横向展布特征便可推测介质内部结构形态及目标体深度、形状等特征参数。电磁波在介质中的传播特性取决于介质波阻抗η，由式（1）知，η跟介质的相对介电常数ε成比例，当相邻两层介质的η存在差异，入射到两介质结构层分界面上的电磁波便产生反射，形成反射波被接收装置接收，该分界面即被识别。对隧道衬砌检测而言，雷达电磁波在衬砌和围岩中传播遇波阻抗差异介质面时将发生反射与折射，反射波能量大小取决于反射系数R。可由式（2）表示：

式中：ε1，ε2为反射界面两侧的介电常数。可知反射界面两侧介电常数差异越大，反射系数越大，电磁波反射越强烈，介质界面越便于分辨，探测效果越理想。

3地质雷达在隧道衬砌无损检测中存在的若干问题

地质雷达在隧道衬砌无损检测中发挥的巨大作用是毋庸置疑的，但这不是说这种检测方法就是通俗易懂，无可挑剔的了。为了对隧道衬砌的所有状况有更加准确的把握，在使用地质雷达检测技术时要对检测的准确度、图像的直观性、后续软件的处理能力、检测人员的能力和经验等密切关注。通过实践经验总结检测过程中存在的主要问题呈现如下。（1）地质雷达在隧道衬砌中传播速度受影响的问题地质雷达对隧道衬砌的检测主要是通过电磁波来完成的，然电磁波的传播速度主要取决于传播介质，传播介质的差异会导致电磁波的波速产生较大的波动，导致对衬砌厚度的检测精度出现较大的偏差。因此在检测过程中，对电磁波的波速的认定不能仅依靠操作者的经验来进行，而是要对目标介质进行标定，进而得到目标介质的波速和介电常数。（3）地质雷达在隧道衬砌空洞范围的探测问题。衬砌空洞范围的探测是地质雷达检测技术的难点，地质雷达对隧道衬砌空洞的形状及尺寸做出精确的测量和判断还存在较大的难度。这方面的问题除了需要在地质雷达技术上加以提高改进外，还应从检测方法中加以改善，如对存在空洞的目标体进行网格化扫描检测，判定区脱空范围，提高检测精度。（2）地质雷达在检测过程中的衬砌表层钢筋后部情况不易识别问题。由于地质雷达所使用的电磁波在钢筋中的传播速度为0（钢筋的介电常数无限大），电磁波传播到钢筋表面无法对其进行穿透。衬砌内部钢筋较密，入射波在钢筋网上产生强反射，透射能力弱，且钢筋的绕射波阻碍了对钢筋后部情况的识别，造成钢筋网后部的衬砌界面不易识别，单、双层钢筋网不易判别。建议可以通过改变天线的移动方向，提高电磁波的透射能力。

4地质雷达在隧道衬砌无损检测中的应用

4.1检测原理

简单来说就是通过波的反射原理，在雷达发射出的电磁波遇到不同媒介和材料不均匀的相同媒介时候，会产生反射、折射，反射波被仪器接收，经过后处理得到波形图像

4.2地质雷达在隧道衬砌的厚度方面探测分析

地质雷达对衬砌厚度的识别是通过电磁波在传播过程中，由一种介质进入到另一种介质时，介质的介电常数发生变化才能接收到反射信号。反射信号的强度主要取决于上下介质的介电常数差值，介电常数差值越大，反射信号越强;介电常数无差异，则不发生反射。电磁波在入射过程中逐渐损失高频信号，而剩下的低频信号的叠加将导致波形图的视周期变大，衬砌厚度的判断可以根据视周期的变化来判别和区分雷达图像所表征的不同厚度层。同一材料（介电常数）的厚度层中，其波形的视周期基本一致。

4.3数据采集

地质雷达数据采集的主要问题包括采集参数的选择以及标记混乱问题。第一，通过对已知厚度的混凝土结构进行现场测试，标定介电常数等相关地质雷达采集参数，多次试验，确定合理有效的数据采集参数，如时窗、采样率、滤波和增益等。第二，在隧道左右边墙上，每5m做一个单标记，每50m做一个双标记，尽量避免因标记错位而导致检测结果错位。

4.4地质雷达在隧道初期支护中钢支撑数量及间距方面探测分析

隧道初期支护中钢支撑数量及间距的检测时，需要采用测距轮模式进行地质雷达数据的采集。由于电磁波在钢筋中的传播速度为0，钢支撑的介电常数无限大，且钢支撑间距一般都相对较大，电磁波信号传播到钢支撑时，在雷达波形图上的反应就是分散的月牙形强反射信号。

4.5地质雷达在隧道衬砌的空洞、脱空等方面探测分析

当隧道衬砌混凝土中存在空洞或者脱空的情况时，空洞或者脱空的空腔内一般情况下都是空气，如果是含水较多的隧道，空腔内也有可能是水。衬砌混凝土的介电常数一般是在6～9，空气的介电常数为1，水的介电常数为81，当地质雷达产生的电磁波从衬砌混凝土中传播到空洞时，介电常数发生较大的变化，反射信号强，三振相明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时程差较大。当空洞的空腔内是空气时，电磁波从混凝土传播到空气，介电常数从大到小，反射波的相位不会发生变化;当当空洞的空腔内是水时，电磁波从混凝土传播到水，介电常数从小到大，反射波的相位会变为反向。

4.6资料解释

地质雷达资料解释的主要问题表现在衬砌缺陷的定性判断和定量判断。地质雷达资料解释的原则具体如下：第一，对初期支护背后空洞、二次衬砌脱空、二次衬砌背后不密实、钢拱架缺失，以及钢筋网缺失等衬砌缺陷来说，只需要定性判断它们是否存在。通常情况下，运用正演数值模拟隧道衬砌缺陷的地质雷达响应特征可直接确定检测结果。第二，对钢拱架间距、钢筋间距及襯砌厚度等衬砌缺陷来说，不仅需要定性判断它们是否存在，而且需要定量判断它们的规模。故这类问题仅仅采用衬砌缺陷的地质雷达响应特征确定检测结果是不充分的。此时，还要采用一些特殊的处理方法，如速度分析、偏移等。

5结语

在隧道的建设施工过程中，由于各方面因素的影响，二次衬砌往往会出现衬砌厚度不足、背后出现空洞或脱空、钢筋或钢支撑间距不合格等质量问题，地质雷达因其特有的无损、便捷、高效等特点，在二衬缺陷检测中得到广泛应用。除了不断创新研发新的地质雷达产品外，更应该提高检测技术人员的技术水平和检测经验的积累，提高检测结果的准确性，才能更加高效的为隧道工程实体质量提供保障，确保隧道的运营安全。

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（作者单位：中铁六局集团广州工程有限公司）