探地雷达在吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌质量检测中的应用

袁木林，董茂干，明 攀，陆 俊

(1.吉林省中部城市供水股份有限公司， 吉林 长春 130022；2.南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029)

随着国家水利事业的发展，输调水工程呈现距离远、跨度大的特点，输水隧洞逐步向超长距离发展。长距离输水隧洞埋深大、洞线长、洞径较大、隧洞沿线工程地质条件复杂。衬砌是隊洞承受内水外压的主要支护结构，是支持和维护隧洞长期稳定和耐久性的永久结构物，其质量的控制至关重要。一是支持和维护隧洞的稳定，二是保持隧洞过水所需要的空间，三是防止围岩的风化，解除地下水的影响等。因此，隧洞衬砌必须有足够强度、耐久性和一定的抗冻、抗渗和抗侵蚀性能。隧洞施工质量直接影响隧洞工程的整体工程质量，比如衬砌混凝土(纵向筋)排列不整齐，钢拱架间距不满足要求，衬砌厚度不足，衬砌混凝土内部脱空，回填不密实导致衬砌与围岩之间存在脱空，围岩固结灌浆不密实等，这些衬砌施工中的质量缺陷，如果不及时发现和尽快处理，将恶化衬砌结构的承载条件，相互作用下又引起围岩不稳定，影响隧洞的长期安全稳定运营[1-2]，从而降低隧洞的预期使用寿命。因此，在隧洞施工过程中，及时发现这些衬砌质量缺陷，针对性采取有效的加固和修复方案显得尤为急迫，检测方法的选择尤为重要。传统检测方法采取观察、取芯、开槽等方法，不仅效率低、速度慢、检测不全面、并且对原有衬砌具有破坏性，不满足隧洞全面性的检测要求。探地雷达作为一种新的无损检测技术，在输水隧洞衬砌质量检测中具有速度快、精度高等特点，衬砌检测全覆盖，各类衬砌质量缺陷识别度高，能快速地发现各类衬砌质量问题[3]。

探地雷达是以不同介质间存在介电性差异为基础，利用高频脉冲电磁波在介质电磁特性不连续处产生反射和散射来确定目标体分布规律的一种地球物理探测方法。该方法具有速度快，精度高、无损、频带宽、检测天线种类多、检测范围广等特点，几乎能适应水利隧洞衬砌质量检测的各种要求，包括衬砌厚度、保护层、钢筋间距、脱空、回填灌浆密实性、围岩破碎情况等，已广泛应用于水利隧洞衬砌实体质量检测中[4-6]。张小明[7]采用中心频率为400 MHz和900 MHz探地雷达对洞松水电站的引水隧洞衬砌回填灌浆的质量进行了检测，检测结果准确客观的反映了各种缺陷。邓中俊等[8]采用了中心频率为500 MHz至1 000 MHz的天线对东江水源工程引水隧洞质量开展了检测，并总结了各种混凝土衬砌质量缺陷雷达图。Kravitz等[9]开展了不同中心频率探地雷达隧洞衬砌后脱空与含水试验的试验，证明了900 MHz天线能够实现最佳的衬砌后方脱空检测分辨率。但是隧洞衬砌结构质量缺陷的大小、埋深、种类各种各样，采用单一中心频率的探地雷达天线，很难兼顾缺陷分辨率与探测深度的要求，且现有探地雷达探测结果多为衬砌混凝土的质量检测，对于衬砌后方的围岩质量缺陷探地雷达检测结果很少。本文以吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌实体质量检测为例，对雷达在检测衬砌厚度、衬砌背后回填密实度、钢拱架、预应力筋、衬砌内部钢筋网和衬砌后围岩破碎、裂隙、超挖等检测效果归纳和阐述。

1 工程概况

引松供水工程是吉林省重大的水利工程之一，是施工难度高的大型跨区域引调水工程，工程主要建设任务是从第二松花江丰满大坝上游1.40 km处引水至吉林省中部地区，输水线路总长634.53 km，主要采用长距离输水隧洞。为保证隧洞衬砌施工质量，对全线输水隧洞衬砌进行了全面检测，根据沿线不同类别的围岩，隧洞衬砌厚度和钢筋网的分布，采用了多种频率的探地雷达天线联合检测。

2 探地雷达检测原理与检测方法

探地雷达工作是由发射天线向探测目标发射一定中心频率的高频脉冲电磁波， 高频脉冲电磁波在介质电磁特性不连续处产生反射、散射和透射，利用接受天线接收反射回的电磁波，所接收的电磁波信号经过处理形成具有一定排列的电磁反射波同相轴序列，通过识别反射波同相轴的振幅、相位以及双程走时等信息，可判别探测目标体介质特性的变化特征，隧道衬砌检测正是利用衬砌探测目标体与衬砌之间的介质电磁特性差异，来判别隧道衬砌混凝土质量、钢筋网、脱空等目标体的分布情况[10-11]。其工作原理见图1所示。

图1 探地雷达工作原理示意图

隧道衬砌与围岩的介电常数都比较小，电磁波能量衰减小，传播速度快，其反射系数和波速主要取决于介质的介电常数：

(1)

式中：r为反射系数；ε为相对介电常数；v为速度；c为光速，下角标1、2分别表示界面两侧介质。

探地雷达探测的垂向分辨率一般为：

(2)

式中：RT为垂向分辨率；c为电磁波在空气中的传播速度，m/s；f为电磁波发射频率，Hz；ε为介质的相对介电常数。

第一Fresnel带直径：

(3)

式中:D为反射层面深度。探地雷达横向分辨率一般为第一Fresnel带直径的1/4，即dF/4；λ为电磁波波长。

可见，在工作频率一定的情况下，影响探测深度的因素主要是介质的导电性和介电常数(见表1)，根据式(2)和式(3)可知，探地雷达的检测分辨率能够查明衬砌实体施工质量。

表1 常见介质的相对介电常数

吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌实体检测采用美国劳雷公司生产的SIR-3000探地雷达仪，检测天线频率为200 MHz、400 MHz、900 MHz和1 500 MHz，采集模式为连续检测。根据不同的检测任务选择合适的检测天线，尽可能地满足探测深度和分辨率的要求，提高解释精度，采集参数设置见表2。

表2 不同频率天线的采集主要参数

隧洞衬砌质量检测通常在隧洞拱顶、拱肩和边墙位置布置5 条测线。检测过程中应尽量避开障碍物和电磁信号干扰区，提高数据采集质量和可靠性。对衬砌疑似存在质量缺陷的位置需要进行重复检测，排除偶然性，确保缺陷不遗漏、不误报，提高检测成果准确性[12]。

对于隧洞衬砌，表3反映了雷达波在衬砌混凝土、钢筋网、钢拱架、衬砌背后围岩、空气及富水体，雷达波在隧洞衬砌内各类介质的传播以及反射波变化规律[13]。

表3 探测目标体的雷达波形变化特征

衬砌主要是由混凝土构成，混凝土是由水泥和骨料按比例混合而成的均匀介质，在混凝土中雷达反射波组较平稳连续，同相轴稳定。金属介质对电磁波具有屏蔽作用，电磁波传播到钢筋网和钢拱架等金属介质时，产生全反射现象，电磁波传播能量几乎没有衰减，在雷达检测剖面图像上呈现明亮的双曲线特征，曲线弧顶的位置即为钢筋的分布位置[14]。

隧洞围岩一般含有裂隙，完整性稍差，充水或充泥，衬砌一般完整均匀，因此衬砌与围岩的相对介电常数存在差异，在雷达剖面检测图像上可根据衬砌与围岩分界面的反射波位置，通过计算电磁波的传播时间，从而确定隧洞衬砌的厚度[15]。衬砌与围岩之间胶结不密实，存在脱空，脱空区与衬砌或围岩的介电常数差异性较大，电磁波在脱空区的反射能量增强，脱空区在雷达图像上呈现白灰相间的强反射波组[16]。当传播到不密实区域时候，雷达波的波形杂乱，同相轴不连续，不密实区雷达反射波振幅强，能量不集中。

3 数据资料分析

探地雷达检测剖面图像以脉冲反射波的形式记录，可以波形图显示，也可以灰白色阶图显示[17]。探地雷达检测数据的分析工作分两部分内容，一是原始数据的整理和处理，而是检测剖面图像的解译。数据处理为了提高检测剖面图像的信噪比，剔除干扰信号，突出检测目标对象。雷达检测图像的解译工作时根据电磁波振幅、频率、波形和波向的变化，来提取隧洞衬砌存在缺陷的位置、性质、规模等信息。

处理步骤有：数据编缉→水平均衡→零漂校正→反褶积或带通滤波，背景干扰去除→频率、振幅分析，偏移绕射处理→增益处理→标定剖面坐标桩号→图像输出等。隧洞衬砌检测目的是查找衬砌内部隐秘缺陷，通过对比探地雷达检测图像，提取检测剖面图像中的异常雷达波反射信号，通过分析雷达波的振幅、相位和波形的显示特征，综合分析被检测段衬砌的施工质量以及可能存在何种缺陷及规模，对隧道衬砌厚度、钢筋网分布、衬砌与围岩之间脱空和回填不密实等施工质量进行综合评判。本文结合引松供水工程隧洞衬砌雷达检测实例，来说明探地雷达在衬砌施工质量检测的应用。

3.1 钢筋分布与保护层厚度

图2是吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌钢筋网分布雷达图像，采用1 500 MHz检测天线，检测深度30 cm，钢筋在雷达剖面图像上显示为双曲线形态，双曲线的顶点即为钢筋的分布位置，衬砌表面到达钢筋的距离即衬砌钢筋保护层厚度。

图2(a)为隧洞衬砌内部的预应力筋，预应力筋分布在衬砌环向钢筋之间，含有预应力筋的衬砌环向钢筋是成对等间距的，两对环向钢筋间距比正常钢筋间距大。图2(b)是衬砌内部普通钢筋网分布雷达图，钢筋是等间距的分布，与含有预应力筋的衬砌钢筋分布特征存在差异，其中图2(a)中的保护层厚度略大于设计值。

图2 钢筋分布和保护层厚度

图3是采用900 MHz天线检测图像，显示隧洞衬砌内钢筋网为单层钢筋，钢筋网显示为明亮的双曲线形态，衬砌表面到钢筋的距离较大。在垂向深度0.45 m深度左右的位置，黑白相间的强反射弧是衬砌后方钢拱架，一个强反射弧信号代表示一根钢拱架，两个钢拱架之间连续点状信号为一次支护拱架间分布的钢筋网，从图像上可以准确读出钢拱架的具体位置和间距。初支下部围岩无异常的反射信号，说明围岩比较完整。

图3 单层钢筋和钢拱架雷达图

3.2 衬砌不密实和脱空

图4是吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌900 MHz检测雷达图像，检测深度1 m，衬砌厚度设计为45 cm，双层钢筋。表层钢筋网反射明显，为明显的双曲线弧形，二层钢筋网呈现明亮的强振幅点，据此可以判别出一层钢筋和二层钢筋的数量和间距。

图4 衬砌不密实和三角脱空

电磁波传播到衬砌内部脱空区时，电磁波产生较强的反射和散射，当脱空比较大时，脱空界面电磁波振幅更强，辨识度更高，脱空周边的混凝土伴随着不密实现象。图4所示为隧洞拱顶位置存在脱空，脱空区呈现三角形形态，隧洞衬砌明显变薄，这类脱空形成原因是在衬砌施工过程中，在两模板结合处混凝土太填充不饱满，后期的回填灌浆不足，导致衬砌在伸缩接缝位置出现脱空，脱空离衬砌表面最薄处仅为15 cm。

当衬砌内混凝土不密实或存有脱空时，由于空气与混凝土介电常数差别较大，雷达波同相轴错断。图5是隧洞衬砌拱顶位置由于回填灌浆量不足，整段隧洞衬砌与围岩胶结不密实，图5脱空范围长10 m左右，脱空深度20 cm左右，衬砌回填灌浆施工质量较差。当衬砌拱顶不平，回填灌浆混凝土可能存在向一侧流动现象，混凝土固结收缩沉降后，衬砌局部位置也可能会出现脱空现象，后期及时复灌处理，避免对隧道衬砌安全运营构成危害。

图5 衬砌与围岩之间连续脱空

3.3 围岩超、欠挖和空洞、裂隙

图6隧洞衬砌而存在超挖和欠挖现象，衬砌厚度局部明显不足或偏厚，但衬砌与围岩之间胶结密实，没有明显的脱空现象，衬砌回填灌装施工质量高，与图5对比明显，衬砌与围岩融为一体，共同承担输水隧洞的内、外压荷载。如果隧洞超挖太多，初期支护施工时回填不到位，则在衬砌施工时，衬砌厚度明显偏厚，一层钢筋保护层厚度过大；如果隧洞欠挖太多，则欠挖段衬砌厚度明显偏薄，一层钢筋保护层厚度过小，局部会出现钢筋显影现象，这对于钢筋的防腐蚀极为不利，严重影响衬砌运营的耐久性。超欠挖段的隧道局部应力集中，围岩的塑性区显著增大，洞身围岩变形变大，此类围岩需要进行稳定性分析，对欠挖段的保护层进行特殊处理。

图6 200 MHz隧洞衬砌超挖、欠挖现象

隧洞衬砌施工质量良好，回填灌浆密实，则雷达电磁波传播过程中振幅、频率、波向和衰减幅度基本一致，雷达波同相轴均匀连续；在介质不均匀、灌浆不密实区，雷达反射波同相轴连续性较差，波形紊乱，反射波能量强，电磁波振幅差异大。图7是吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌400 MHz检测雷达图像，检测深度达到2 m，衬砌厚度设计为45 cm，双层钢筋。检测结果显示一层钢筋清晰，呈现明亮的月牙形态，二层钢筋为明亮的点状，衬砌与围岩胶结状态良好，无脱空现象。但是围岩中存在破碎，雷达图像同相轴连续性差、呈现零乱的不连续的强反射能量异常，此类破碎围岩需要固结灌浆填充密实。

图7 400 MHz衬砌和围岩破碎雷达剖面图

围岩破碎伴随着较多小的空洞和裂隙存在，图8是隧洞衬砌200 MHz检测雷达图像，检测深度达到10 m。天线的中心频率变小，探测深度增加，但分辨变小，钢筋网在雷达剖面上反映不明显。但是满足衬砌后方围岩质量的检测，围岩裂隙在雷达图像上表现为倾斜的条带状异常。由于破碎岩石中的裂隙存在一定宽度，较大的裂隙不进行处理将严重危害隧洞的安全，此类围岩需要加固处理。隧洞衬砌质量检测要具有时效性，准确性，检测结果及时反馈给施工、设计、监理和业主各方，以便快速采取相应的固结措施，增强围岩整体完整性，确保隧洞衬砌的安全稳定。

图8 200 MHz围岩裂隙

铁路、公路隧道的衬砌质量评价方法[18]，主要将隧洞的衬砌质量评价为7种类型：合格、空洞、保护层欠厚、超欠挖、不密实、钢支撑缺陷和灾害地质等。对于水工引水隧洞，同样可以根据缺陷的类型不同对衬砌结构质量进行评价，但由于空洞、保护层欠厚和脱空是隐蔽性的施工缺陷，也是隧洞衬砌结构最主要的缺陷，因此在吉林省中部城市引松供水工程隧洞的评价中，衬砌质量主要依照前四种(合格、空洞、保护层欠厚、脱空和超欠挖)进行评价。

4 结 论

探地雷达应用于隧洞衬砌质量检测，具备效率高，速度快，成本低、准确率高等优点，能够准确地反映出隧洞衬砌钢筋网、钢拱架、脱空、不密实及围岩的破碎、裂隙，岩溶等缺陷。本文通过探地雷达天线中心频率的高到低变化，实现了引水隧洞结构各个深度方向的质量缺陷揭露。

探地雷达具有探测深度与分辨率的矛盾，采用不同中心频率的天线测试，可以兼顾探测深度与分辨率，实现衬砌结构各种信息的清楚反映。1 500 MHz检测深度浅，对隧洞环向第一层钢筋网反映清晰，可准确地反映出钢筋网的间距和保护层厚度；900 MHz天线可检测出隧洞的双层钢筋，以及衬砌与围岩之间的脱空情况，对钢筋保护层反映的精度不足；400 MHz天线可检测出隧洞的双层钢筋，对钢筋的反映虽然没有900 MHz天线的清晰，但是可反映出衬砌后面围岩的破碎情况；200 MHz天线可以检测围岩裂隙和破碎情况，反映不了衬砌厚度和钢筋等信息。