地质雷达在隧道无损检测中的实际应用

赵标

（中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司 江苏南京 210061）

0 前言

随着国家对基建的大力投入，为满足山区之间通车的条件，隧道是缩短城镇之间距离的有效方式。因此，我国隧道的拥有量也在迅速增长。但是在施工期间，存在种种隐蔽的工程质量问题未被及时发现并处理，导致隧道内的病害日趋严重。隧道施工质量的好坏直接影响到隧道内的行车安全。对隧道施工质量缺陷进行精准的检测，可及时有效地为隧道的缺陷修复和加固提供依据。传统的隧道衬砌检测方法，如敲击、开孔或开槽取样检测，不仅操作困难、代表性差、偶然性大，而且破坏了衬砌的整体性[1]。与传统的检测方法相比，采用地质雷达进行隧道衬砌无损检测，能够有效解决传统检测方法的弊端。本文依托工程实例，来阐述和验证利用地质雷达检测隧道衬砌质量的可靠性。

1 隧道中常见质量缺陷及图像判定标准

1.1 隧道中常见的质量缺陷

隧道中常见的质量缺陷是衬砌厚度不足、空洞、衬砌结构与围岩间存在间隙等。另外，在施工过程中较大的超挖部位回填的不密实，会导致在衬砌施工期间及竣工后围岩碎块掉落在衬砌之上，或出现因受力不均匀而引发的衬砌开裂等质量问题，再经受温度变化、地下水等作用时，就容易产生诸如漏水、衬砌裂损、衬砌冻害、衬砌腐蚀等一系列病害问题，影响隧道的正常运营及使用年限[2]。

1.2 地质雷达图像判定标准

引用《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10023—2004）中第4.3.8节及4.3.9节，根据地质雷达图像主要判定特征，进行判定衬砌状况，详见表1。

表1 地质雷达图像主要判定特征

2 地质雷达检测原理

2.1 地质雷达工作原理

地质雷达主机接收指令，产生电磁脉冲信号通过屏蔽电缆，由雷达天线发射某一中心高频电磁波。电磁波在介质的传播过程中，遇到有差异的介质时。一部分电磁波转换成反射波，被接收天线接收并识别。其他部分继续向前传播，当再次遇到差异性介质时。又一部分电磁波反射回地面，被接收天线接收并识别。其他部分继续向前传播，如此往复。电磁波在传播时，遇到差异性介质或缺陷时，电磁反射波的振幅与方向、反射波同相轴形态特征、以及反射波频率是不一样的。雷达天线接收器接收到反射波，识别后以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，地质雷达工作原理见图1。

图1 地质雷达工作原理

2.2 地质雷达波参数

电磁波在不同地质层的反射系数：

反射系数常用来描述入射波与反射波相位与幅度的关系。在地质界面上，如果相位与反射脉冲相同则反射系数为正，反之，则为负[3]。

地质雷达分辨率是指分辨最小异常体的能力。包含水平分辨率和垂直分辨率。垂直分辨率即能够分辨的两个物体在垂直方向上的最小间隔。假设D为垂直最小可分辨层的厚度，其计算式为：

式中：ε-介电常数；f-电磁波频率；C-电磁波在真空中的传播速度。频率越高，脉冲时间越短；分辨率越高，探测深度越浅。

水平分辨率：地质雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸。两异常体最小距离要大于第一菲涅尔带。

式中：Rf-分辨率；λ-波长，H-埋深。

雷达记录中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，依据同相轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释是地质雷达最重要的基础。根据深度公式：

式中：h-地层底界面深度（m）；t-电磁波传播双程时间（ns）；c-电磁波在空气中的传播速度（0.3m/s）；v-电磁波在材料中传播速度（m/ns）；εr-材料相对介电常数。

3 工程实例分析

3.1 隧道基本概况

九华山隧道建成于2005年10月。位于南京内环东线，下穿九华山公园，北接玄武湖隧道，它包括山体隧道和湖底隧道两段，湖底段长约1600m。主体结构混凝土三十余万方。

隧道暗挖段主要在九华山体，通过裂隙发育的象山群石英砂岩及黄马青组泥质粉砂岩。山体段全长445m，起始里程桩号为K5+305～K5+750，九华山隧道结构形式上是三联拱方式。总宽约31m，中导洞在中间，直径2m，两个侧导洞为双向六车道。

3.2 检测背景

2015年6月雨季，隧道山体段出现拱墙施工缝及地面渗水现象，排水沟槽有结晶析出，造成排水泵及排水边沟堵塞。养护部门在拱顶打孔进行长期排水。至2016年3月冬春交替季节，地下水位较低时，发现施工缝及变形缝仍有少量渗漏水；隧道地面除个别变形缝附近有泛水外，其他部位地面良好。此次对九华山隧道混凝土结构质量进行检测，为“九华山隧道部分改造项目”提供必要的依据。

3.3 地质雷达采集前参数设置

结合检测要求及目的，此次检测主要采用900MHz雷达天线。900MHz天线具有以下性能：①探测深度可达0.5～1.0m；②垂直探测精度为2.5cm。针对900MHz天线采集参数设置有以下几点：①记录长度为20～25ns；②每秒采样50～100个测点；③每米50～100个扫描数；④每5m做一个标记；⑤增益一般选择自动增益。如果选择手动增益，第一个增益不宜超过10dB，最后一个增益不宜超过65dB；⑥增益点数1～3点。

3.4 地质雷达图像解释

针对九华山隧道出现的病害，使用地质雷达法对衬砌进行检测，形成雷达图像及缺陷波形，经解读后判定了衬砌存在的病害，并采用开孔的方法对部分缺陷进行验证。

3.4.1 隧道衬砌厚度图像解释

不同介质具有不同的介电常数，当电磁波遇到有电性差异界面或介质时即发生反射，同一连续界面的反射信号形成同相轴，依据同相轴的形态、强弱、方向反正、时间等参数判断两种不同介质的分界面。地质雷达衬砌厚度图像解释见图2。由图2可知，实测衬砌厚度平均值为49mm，经查衬砌设计厚度为45mm。由此可见地质雷达法检测衬砌厚度是可行的。

图2 地质雷达图像显示衬砌厚度雷达波形

3.4.2 隧道衬砌不密实图像解释

地质雷达检测发现，里程号为K5+573和K5+646的拱顶位置各存在一处疑似不密实异常区域，由图3可以看出异常区反射同相轴不连续，且相位发生改变，深部存在杂乱反射。推断，该测线上方浅部可能存在局部不密实异常，深部混凝土内部材质不均匀，沿隧道纵向延伸1.5m，需进行钻孔验证。开孔验证图像见图4，由开孔图像中明显可以看出在推断位置附近有一处衬砌不密实现象。因此验证了以上异常区域的推断是正确的。

图3 地质雷达缺陷检测图像

图4 开孔验证图像

3.4.3 隧道衬砌钢筋的图像解释

根据《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10023—2004）中第4.3.9节地质雷达图像对钢筋的判定特征的描述：钢筋的地质雷达反射图像为连续的小双曲线形强反射信号，实例见图5，由图中可以识别出该衬砌每2m间距内有9处钢筋（图中标示的圆点为钢筋位置）。因此由图像可以得到钢筋的位置、间距、有无钢筋缺失等信息。

图5 地质雷达典型钢筋图像

4 地质雷达图像分析中的难点

4.1 二衬钢筋信号的分析

隧道衬砌设计中大多为双层钢筋布置，外层钢筋的雷达图像很好判别。内层钢筋由于外层钢筋信号的叠加干扰，一般较难看出具体位置，再加上施工中各种因素导致钢筋位置偏离，所采集到的钢筋信号并不成规则分布，这就给数据分析加大了难度。

4.2 介电常数的标定

由于每种物质都有自己的介电常数，即使是相同的物质在不同的环境下，它们的介电常数也会发生改变。因此，标定介电常数至关重要。介电常数大小会影响到二衬钢筋保护层厚度的判定。

4.3 外界环境的干扰信号

地质雷达实际探测时干扰信号会掩盖部分真实信号，或者形成错误的缺陷信号，给图像分析带来难度。比如：运行中的发电机、铁路隧道内的高压线、探测物体附近带有强磁、强电的物体等。为了最大限度地获取有用信息，准确识别隧道隐蔽的缺陷，我们应该对地质雷图像具有基本的识别及处理能力，压制信号干扰，突显真实的目标反射波，合理地提供检测数据。

5 结语

结合本次九华山隧道检测案例分析可知，地质雷达能快速、无损地检测出钢筋保护层厚度、衬砌密实状况、衬砌钢筋状况等检测结果。对隧道施工质量检测把关起到很大作用，但仍有些问题值得我们在实际工作中不断积累经验进行细致研究：

（1）隧道脱空的判定目前仅停留在定性阶段；由于检测人员的经验和判定尺度存在差异，对于同一图像的解读可能得出不同结论。因此，认真研究各种缺陷的雷达反射波特征，对准确解释检测资料具有重要意义。

（2）由于在检测作业中，存在外界干扰电磁波的的影响，导致雷达图像清晰度方面无法保证，因此必须保证工作环境对检测有利才能进行。

（3）对于实际检测过程中介电常数的标定可根据实际情况进行。