地质雷达法在某铁路隧道衬砌质量检测中的应用

张 荡

中铁十一局集团第五工程有限公司

1 引言

二十世纪以来，我国铁路行业的快速发展，随着铁路网路越来越发达，铁路隧道存在的质量风险也越来越高，我们需要及时地发现并处理。在西南地区桥隧比较高，隧道也成为高速铁路建设中最重要的一环，但目前，由于设计、施工工艺、地质条件等因素，国内在建或已建成的铁路隧道都存在不同种类的质量缺陷，如衬砌、仰拱的空洞、厚度不足、不密实等。现阶段国内隧道无损检测手段主要采用的是《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10233—2004）中提及的两种方法：地质雷达法、超声波法。其中超声波法检测效率相对较低、准确性不易保障，而地质雷达法探测速度快、分辨率高、稳定性好，准确性高，使地质雷达法成为国内铁路隧道质量检测的重要手段。地质雷达法主要是通过发射的电磁微波在探测对象内电性（介电常数、电导率）差异界面产生的反射来判别介质内部存在的缺陷，实践中不难看出地质雷达对隧道质量缺陷检测具有高效、准确的特点。

2 地质雷达法检测原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法，它利用宽带电磁波以脉冲形式来探测地表之下的或确定不可视的物体或结构[1]。

地质雷达的探测系统包括发射天线和接受天线，以及控制收发和数据储存的控制系统。

铁路隧道质量检测最重要的参数为：被检介质的电特性和天线的中心频率。

其中：检测介质的电特性主要包括电导率（它决定电磁波在介质中的穿透深度）、介电常数（它决定电磁波的传播速度、目标体的识别及衬砌厚度的判断）。天线中心频率的选择主要从探测深度及垂直分辨率考虑。研究表明：电磁波在地介质中传播，频率越高，衰减越大；频率一定时，湿度越大，介质耗损也越大[2]。探地雷达的中心频率越高，雷达探测深度越浅，反之亦然；垂直分辨率是雷达在垂直方向内分辨最下异常体的能力，根据雷达系统理论，垂直分辨率为雷达脉冲波长的四分之一。根据上述两个特性及铁路隧道衬砌质量检测的一般要求，我们一般选择中心频率为100MHz～900MHz 的屏蔽天线来对铁路隧道衬砌进行检测。

3 检测工作

测线布置：在铁路隧道衬砌地质雷达检测中一般布置5条测线，分别为拱顶、左右拱腰、左边边墙。

检测设备：美国劳雷公司生产的SIR-4000型便携式地质雷达及900 MHz、400MHz、200MHz、100MHz屏蔽天线。

数据分析：采用地质雷达专用分析软件：RADAN软件，通过导入数据，距离归一化，零点去除，数字滤波，里程桩号输入，介电常数分析，偏移，目标体识别等步骤，综合分析，判断出质量缺陷。

4 工程实例

本文主要通过检测、数据处理、图谱分析，识别出铁路隧道衬砌中主要存在的几大类问题：衬砌空洞，衬砌厚度不足、衬砌不密实等质量缺陷。下文我们将质量缺陷的雷达图谱及破检验证情况列举如下。

4.1 二衬背后空洞

（1）某A 隧道拱顶082.0～090.0 里程段雷达图谱显示该位置衬砌界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，分析判断为空洞，并在082.6 处钻孔验证，钻孔结果为二衬厚度28cm，空腔24cm（图1）。

图1 钢筋混凝土板缝端二衬楔形空洞图谱及破检结果图

（2）某B 隧道拱顶868.0～865.0 里程段雷达图谱显示该位置衬砌界面反射信号较强，呈带状长条形分布，三振相明显，分析判断为空洞，并在865.2 处钻孔验证，钻孔结果为二衬厚度33.5cm，空腔4cm（图2）。

图2 素混凝土二衬背后空洞典型图谱及破检结果图

4.2 二衬厚度不足

某B隧道左拱腰118.4.0～122.4里程段雷达图谱显示该位置存在衬砌反射界面，幅值较弱，衬砌与初支密贴较好，但雷达图谱显示二衬厚度为32m～45cm，二衬设计厚度为45cm，分析判断为二衬厚度不足，并在120.4 处钻孔验证，钻孔结果为二衬厚度33cm，无空腔（图3）。

图3 钢筋混凝土二衬厚度不足图谱及破检结果图

4.3 二衬背后不密实

某A隧道左边墙1005.0～1014.0里程段雷达图谱显示该位置衬砌界面反射信号强，同相轴不连续，错断，分析判断为二衬背后不密实，并在1012.0处钻孔，二衬厚度为27cm，用内窥镜查看二衬背后有明显不密实现象（图4）。

图4 二衬背后不密实图谱及破检结果图

5 结论

（1）应用地质雷达进行隧道质量检测，应根据需要检测目标体的特性，检测的深度，设计参数，选择适宜频率的屏蔽天线，设置适宜的时窗、扫描速度，现场检测时注意天线与被测物贴合度，已提高检测质量，避免误判漏判。

（2）在衬砌厚度判读前，需对衬砌介电常数进行准确标定，找准雷达图谱分中衬砌分界面，已提高厚度判读精度。

（3）应用地质雷达对铁路隧道进行雷达检测，通过检测、数据处理、图谱识别能较好地识别出衬砌空洞，衬砌厚度不足、衬砌不密实等影响隧道运营安全的质量缺陷。

（4）地质雷达法对铁路隧道质量检测是一种高分辨率、高效率、高准确率、稳定性好的无损检测手段。