SIR4000地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用

杨 泰

（中铁二十二局集团第二工程有限公司， 北京 100000）

0 前言

在高效快捷工作生活的今天，人们在城市与城市之间的出行，更多的选择了高铁这种便捷的交通工具。铁路建设施工中，隧道施工地质复杂，施工难度大，设计方案的先天不足，给施工留下质量通病和安全隐患。特别是已建成运营的隧道，有不少隧道存在各种各样的质量缺陷，严重威胁着人们的生命和财产安全。地质雷达法无损、高效、高分辨率，快速采集分析图像等优势，能够准确找出隧道存在的质量问题，便于及时对隐患进行处理，为交通建设带来了技术支持。

1 SIR4000地质雷达的优点及国内外占比情况

SIR4000地质雷达在A/D转换方面采用24位输出数据格式，接收能力更加强大。SIR4000地质雷达主机采用实时数据采集，系统的扫描速率更高，在同样的采样点前提下，采集点越多，扫描线的分辨率越高。SIR4000共有采集点16384个。SIR4000的采集速度更快。叠加次数可反映仪器的去噪能力，叠加次数越大，去噪能力越强，信号质量越好。SIR4000系统叠加次数为64000次。

SIR4000地质雷达采用GSSI厂家专门研发的地质雷达后处理软件，比第三方软件更具有针对性的处理效果，且软件有中文版本，方便国内用户使用。美国 GSSI厂家的天线频域最广，频率选择最多，可满足一机多用的要求，用户可根据需要，搭配使用不同频率的天线以完成不同工程的需要。

SIR4000地质雷达在产品性能和应用领域方面都有独特的优势，在国内外拥有广泛的用户群体，受到了用户的一致好评。在全球地质雷达销售市场中，SIR4000销量超过6000套，占70%以上，其中在国内销售1500余套，市场占有率65%，是目前国内外公认的最具口碑的地质雷达。

2 SIR4000地质雷达在铁路隧道中的应用

2.1 工程概述

大张高速铁路河北段大梁山隧道进口为单洞双线隧道，里程DK55+735～DK69+130, 全长13395m，隧道最大埋深430m。大梁山隧道施工进口段里程 DK55+735～DK61+450，长度为 5715m，地质条件复杂，DK55+735～DK56+600段上覆湿陷性黄土厚度0-30m，DK56+600～DK56+725段为泥岩夹砂岩，具有膨胀性，对隧道进口施工以及隧道基底有影响。

2.2 地质雷达探测技术数据处理

1）数据处理的目的

地质雷达数据处理的目标是除去检测过程中出现的干扰波，以最大可能的分辨率将雷达图像上的反射波显示出来，然后将反射波中各种有用的地质信息包括电磁波速度，振幅和波形等提取出来，用于雷达图像的判释，如基于不同频率的各种反褶积技术，确定性反演滤波、递归滤波、最小平方滤波和子波处理等。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变，如偏移处理等。

2）数据处理的方法

数字分析处理是雷达剖面图像解译的关键步骤。根据检测目的，选择合理的数字处理方法，突出目的层。常用处理方法一般有静校去直流、道均衡、道间平滑、反褶积、增益调节以及插值等，目的在于以下几个方面：

（1）取多次重复测量平均以抑制随机噪声；

（2） 取邻近不同位置的多次测量平均以压低非目的体杂乱回波，改善背景；

（3）自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；

（4）滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体，降低背景噪声和余振影响；

（5）时域的一维、二维空间滤波；

（6）做与目的体有关的三维处理等等。

3）数据处理流程图

图2.1 数据处理流程图

2.3 工程应用

1）检测部位

本次检测的位置起止里程为DK55+735～DK61+450，长度5715，沿洞轴线方向分别在边墙、拱腰、拱顶布置5条测线，采用的是400MHz屏蔽天线进行检测，其穿透深度在100cm。具体的检测部位如下表所示：

表2.1 大梁山隧道地质雷达法检测里程、部位及测线位置统计表

2）数据处理

在本工程具体的数据统计过程中，数据处理采用SIR4000型探地雷达系统的RADAN6.5软件，根据收集和掌握的设计、勘察、施工等资料进行数据分析。其主要处理步骤如下：（1）头文件的处理：查看检测的头文件中的参数设置是否正确；（2）数据预处理：主要是对于数据的合并、切除，测线的归一化处理、直达波的拾取；（3）干扰波处理：先通过一定的数字滤波方法过滤掉干扰波，然后经反褶积突出异常信号，使异常波形更接近于异常体征。

3）检测数据汇总

表2.2 大梁山隧道缺陷汇总表

4）具有代表性的缺陷检测表

表2.3 大梁山隧道缺陷检测表（代表性）

图1 钢筋间距过大

图2 脱空

图3 钢筋保护层厚度不足

2.4 缺陷复测情况

根据《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10223-2004）对大梁山隧道的5条测线部位进行了质量检测，检测过程中共计发现406处缺陷，其中23处二衬厚度不足，施工单位按照《大梁山隧道（DK57+000～DK61+200段）二次衬砌缺陷安全评价咨询报告》进行整治销号，其余的383处缺陷施工单位经整改报检后进行复测，复测结果完全符合设计要求，其余地段地质雷达测线处未发现缺陷信号。

3 影响地质雷达数据准确性的因素

施工过程不规范及工程内部结构都会影响数据的准确性：

1）钢筋保护层较薄会影响到雷达图像的检测效果，对隧道衬砌施工而言，二衬内钢筋的定位尤为重要，由于部分隧道衬砌钢筋绑扎不规范，钢筋保护层较薄，钢筋反射信号强，多次反射，致使二衬背后存在的缺陷异常反射信号被覆盖，影响了检测数据的准确性，影响了检测质量。

2）隧道内存在预埋管件等钢构件的位置也会对检测造成干扰。所以后续数据处理时，必须根据现场记录，找出施工预埋的钢构件和位置里程，正确识别隧道衬砌内部真实存在的缺陷异常和预埋管引起的假异常。举例来说，雷达天线在检测拱顶时，经常会遇到接触网预留滑槽，使图像产生异常反应，但这不能被判定为缺陷。所以在缺陷识别中排除干扰数据尤为关键。

4 提高地质雷达探测精度的措施

在运动状态下进行检测时，由于人为因素以及检测时设备天线的贴合度、检测台车的颠簸、检测前雷达主机的参数调试等因素的影响，对检测的数据精度会造成误差。具体分析可以得出如下结论：

1）.隧道内隧底积水等有其他对电磁波产生干扰的物质会大大降低雷达天线探测深度和分辨率，因此在检测过程中应尽量避开或将这些物质清除后再进行检测。避免这些物质对我们采集雷达信号的干扰，这样可以很好的减少在后期处理数据和出具检测报告中的误差。

2）检测数据的好坏主要取决于现场检测。有些隧道里程识别不清或里程识别未经测量复核，在检测过程中本身隧道内视线不好，从而造成误差较大，因此现场需要专业测量人员进行精确测量后标定，以保证现场采集的数据真实有效。这一点对判断隧道内的施工缺陷的位置至关重要。

3）天线的倾斜会导致检测结果与真实情况存在偏差，检测人员在手扶天线的过程中，可能会遇到行走路线上的障碍物或长时间的工作无法保持正确姿势，从而使天线不能始终与测线方向保持平行，而产生一定的角度，从而直接影响雷达检测数据。

4）在用仪器采集数据时，操作人员应密切注意雷达图象的变化，对图像异常段做好记录，必要时进行复检。保证检测车平稳匀速直线行进，中间尽量减少停顿，必要时记录停顿位置。

5）探测前，对具体检测的隧道，要根据设计和勘查的资料，选择不同类型的天线，设置好仪器的各项参数，包括介电常数、增益、以及高、低通滤波等。特别是介电常数的确定，必须通过现场反复调试、试测，达到理想的效果才能进行检测。

5 结语

SIR4000地质雷达对隧道的探测，做到了不伤害现有结构，有快速、直观、精准、分辨率高等特点，施工时能快速的使用地质雷达检测出隧道施工中的缺陷，及时的整改，避免重大安全质量隐患，以便隧道验收时顺利通过。

尽管如此，SIR4000地质雷达对双层钢筋结构的探测还不是很准确，以后应研究地质雷达对双层钢筋结构探测的准确性，避免钢筋间的反射造成判别误差，确保使用地质雷达法对隧道检测达到更高的精度，为铁路交通运营安全保驾护航。