地质雷达在公路隧道仰拱检测中的应用

胡振兴

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着我国交通基础设施建设的快速发展，各等级公路隧道兴建。新奥法的基本原则表明，仰拱与二次衬砌闭合成环，在衬砌结构受力中发挥静力学上的“厚壁圆筒”作用，能有效抑制围岩塑性区和周边位移的发展，避免或减少底鼓现象发生。大量的工程实践表明，以往公路隧道仰拱常存在厚度不足、钢筋缺失、填充层中内掺超标片石或洞渣等病害。与传统的钻芯取样法相比，地质雷达凭借快速、无损等优势逐步被应用于公路隧道仰拱检测中。

一、地质雷达的检测原理和方法

地质雷达检测是基于不同介质具有不同介电特性这一物理特征开展的，电磁波在传播过程中遇到不同介质时，波速、衰减、振幅、相位、频率等特征会发生相应的变化。通过雷达天线发射与接收高频电磁波，得到探测范围内部介质的剖面成像，然后根据不同目标体反射波的波相特征，结合各项探测参数及目标体的基础资料，推测其内部结构和几何形态。

现场检测时，在隧道中线左右两侧车道布设两条纵向测线，采用连续测量的方法在施工成型的填充顶面或路面检测仰拱结构层的厚度及密实性，以纵向测线为主、横向测线为辅，三车道隧道应相应增加测线数。

二、地质雷达在隧道仰拱检测中的运用

本文选取了甘肃省关山隧道病害处置项目的雷达检测效果展开分析。该隧道某段落内混凝土路面开裂且破损严重，隧道中心线位置路面发生隆起和错台。为查明原因，试验检测了病害段落及处置后的仰拱结构层。检测采用SIR-3000型地质雷达，选用400MHz和200MHz两种屏蔽天线组合使用。

（一）混凝土密实性检测

项目组对该隧道的仰拱结构层开展了病害检测，在左右幅车道上距隧道中线1.5m和3.5m处分别布设了纵向测线连续检测。雷达检测结果，在病害段落内距路面70cm～150cm范围内普遍存在松散脱空区和不密实带。为进一步查明病害并验证雷达检测的准确性，项目组在病害段落内选取了4个缺陷强反射区分别钻孔取芯。4个探孔揭示，仰拱填充层距路面76cm～153cm范围均为松散的碎石，芯样不成型且局部位置芯样缺失，验证结果表明该范围内混凝土存在松散脱空区和不密实带。

通过对比，雷达检测结果与取芯基本一致，说明雷达检测不密实带和脱空区水平分布范围及深度位置的结果准确，但不密实带及脱空区深度范围与实际情况略有偏差。

此处选取1 # 探孔详细说明。如图1 所示，k0+058～k0+068段400MHz天线仰拱检测雷达剖面距路面75cm～150cm范围内k0+058～k0+064段为松散脱空区，表现为连续的层状低频强反射；k0+064～k0+068段为不密实带，表现为分散的绕射弧形。其中k0+060的1#探孔处，雷达剖面显示其脱空区的上限为90cm，下限为140cm。

图1 k0+058～k0+068段雷达剖面

1#探孔的芯样如图2所示，总长度为173cm，其中90cm～153cm段处于松散脱空区，芯样基本为碎石且松散不成型，缺陷区深度范围的下限存在13cm的误差。返工处置开挖结果显示，缺陷区的主要原因是混凝土中掺入大量超标片石和洞渣导致。正是由于混凝土中片石、洞渣等夹层导致等效介电常数发生改变，电磁波在该区域中传播时波速存在差异且变化较大，而雷达剖面上深度取值时仍采用混凝土的标定波速。由于缺陷区材质复杂，准确的等效波速难以确定，导致深度范围的下限值判别存在一定的误差。

图2 1#探孔芯样照片对比

（二）混凝土厚度检测

项目组跟踪检测了5次病害段落返工处置后的仰拱厚度，结果显示靠近中心水沟的测线位置由于埋深较大，两种天线的横向分辨率均不足，雷达剖面上能有效显示的为连续的高亮钢筋反射层，难以分辨出钢筋的数量和间距。钢筋层的强反射信号向下辐射，仰拱混凝土与围岩的低信噪比信号无法从剖面上提取出来，难以准确区分仰拱与围岩的分层界面，仅能大致拾取出该段测线位置仰拱顶面纵向埋深为152cm～160cm。此外，根据k0+065处200MHz天线横向测线雷达剖面结果，0.8m～1.5m深度范围内靠近电缆槽一侧的仰拱双层钢筋网反射信号较强，仰拱与相邻结构的分界面较为清晰，而1.5m以下深度范围内靠近中心水沟一侧，钢筋网的有效反射信号随深度逐渐弱化，剖面上深层的干扰杂波信号逐渐占据优势。随着电磁波能量的不断衰减，仰拱及底部的反射信号几乎消失。

试验结果表明，仰拱混凝土浅层的探测效果明显优于深层，仰拱浅层的厚度检测较为可靠。在一定的地质界面上，雷达天线的探测深度与分辨率成反比。随着探测深度增加，雷达的探测精度随之减小。在隧道仰拱检测中，应根据仰拱的具体设计厚度选择中心频率适宜的天线。

（三）介质含水率对探测结果的影响

根据5次病害处置后30d～65d龄期内厚度跟踪检测的结果显示，仰拱混凝土龄期的长短会影响探测效果，干燥混凝土的雷达探测效果明显优于潮湿的混凝土。研究表明，随着混凝土龄期增长，雷达反射波的频谱特征值呈现上升趋势。随着混凝土含水率的升高，水在高频电磁场的激发下产生了较强的附加电导率，其等效介电常数随之增大，电磁波速和信号幅值不断减小。关山隧道的检测经验表明，仰拱结构层混凝土理想的检测龄期在60d以上。

三、结语

1.地质雷达法可准确地检测仰拱结构层混凝土脱空区及不密实带的水平分布区域及深度位置，但缺陷区深度范围的探测结果与实际情况存在一定误差。

2.地质雷达可检测仰拱钢筋网、钢架等分布情况，在厚度检测方面，浅层探测效果的准确度优于深层。

3.介质含水率会对检测结果产生较大影响，龄期越长探测效果越理想，仰拱混凝土的检测龄期建议在60d以上。

4.施工成型后的公路隧道仰拱，建议使用地质雷达与钻芯取样相结合的方法完成检测。