探地雷达在铁路隧道衬砌质量无损检测中的应用研究

朱兆荣，赵守全，秦 欣，吴红刚，崔 雍

(1. 中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2. 兰州交通大学, 甘肃 兰州 730000)

1 引 言

近年来我国的高速铁路发展迅速，高速铁路隧道占比大，运行速度快，若发生掉块，击中正在高速运行的列车，将会造成严重的安全事故[1，2]。造成掉块的原因大多是由于衬砌存在脱空或者空洞[3-7]，在运营铁路隧道开展衬砌工程质量检测受到诸多影响，和一般施工过程中进行衬砌工程质量检测工作的方式存在很大差异，运营隧道开展衬砌工程质量检测受工作条件、工作时间、工作方法等条件限制，只能利用有限天窗时间，克服现场不利的工作条件来进行衬砌工程质量检测工作[8-10]。

目前对于衬砌厚度、脱空、空洞、仰拱填充密实度最为有效、准确的检测方法为地质雷达无损检测法。该方法被广泛地应用到施工过程监控、竣工验收和开通运营的隧道衬砌质量检测项目中[11-13]。针对运营铁路隧道的特殊性，进行地质雷达在运营铁路隧道衬砌质量无损检测应用技术研究，对保证检测工作的顺利进行和检测结果的准确性显得尤为重要。本次研究对现场检测中相关应用技术要点如天线选择、测线布置、标识确认、参数调整、现场检测中影响检测结果等因素进行了深入分析，以避免检测中出现雷达图像失真等问题，尽可能提高探地雷达检测过程中采集数据的质量[14]。

2 探地雷达工作原理

探地雷达工作的基本原理为通过发射天线向地下发射高频电磁波[15]，接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，根据接收到的电磁波的波形、振幅强度等变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度，其工作原理如图1所示。

图1 探地雷达工作原理Fig.1 Working principle diagram of ground penetrating radar

3 天线频率的选择

天线频率的选择应根据拟探测的深度来选定。频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高，但穿透距离短；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低，但穿透深度大[16]，因此如何选择天线的频率显得非常重要。一般选用400～500 MHz的工作天线，它的波长约为20～30 cm，检测大于或等于20 cm的衬砌厚度有足够的分辨率，并可达到2 cm左右的探测精度，探测深度约1.5 m(受介质介电常数影响)[17]。一般隧道围岩等级有Ⅱ～Ⅵ级，二次衬砌厚度在25～60 cm范围内，针对隧道衬砌的情况，主要从分辨率、穿透力和稳定性三个方面综合考量。可选用分辨率、穿透力强的400 MHz天线，电磁波在某介质中的波长为：

(1)

式中，εγ为某介质的相对介电常数;v介为电磁波在某介质中的波速;λ为电磁波在某介质中的波长;γ为400 M天线频率。400 M天线频率的波长约为25～50 cm，检测25～50 cm的衬砌厚度有足够的分辨率，并可达到1.5 cm左右的探测精度，可探测深度约2 m，因此可以比较准确地检测隧道围岩和衬砌间是否存在空洞、孔隙、不密实带(区域)及其位置，从而测定衬砌厚度、质量是否满足设计文件及《铁路隧道工程施工质量验收标准》要求[18-20]。一般情况下都是用400 MHz屏蔽天线来进行隧道的二衬质量检测，900 MHz屏蔽天线检测隧道二衬质量效果较差(尤其是二衬中布设钢筋的情况)，不建议使用。

4 现场检测

对在建隧道，在检测工作前，需先做简易的检测平台，以检测车或装载机为载体，在其上架设检测平台，必须保证平台的牢固和稳定，在每层作业平台上必须要搭设防护栏(且高度不低于1.2 m)。根据测线位置，确定检测平台高度，一般上层平台距离拱顶1.6～1.7 m，台架要稳固。在进行隧道拱部的各测线检测时，注意天线与衬砌表面密贴。检测的测线并非理论上的“直线”(这里的直线是指测线轨迹要与隧道中线平行或接近平行)，大多存在左右或上下摆动，造成天线沿衬砌表面蛇形前进或局部脱离衬砌表面，所以检测过程中必须保证检测车平稳匀速前行，同时探地雷达天线密贴检测工作面，减少晃动，使天线的走向(探地雷达测线)最大限度成为真正意义上的直线。

在检测工作开始前，一定要求被检方做到检测路面的平整，路面不平整会降低雷达图像采集的质量，而且在检测车行驶过程中存在安全隐患，极易发生检测台架剐蹭隧道内壁的现象。检测车的驾驶员技术一定要好，因为对于一些司机，即使路面非常平整，也会“S”型行进，造成探地雷达天线不断地脱离隧道内壁，有时也会出现挤压探地雷达天线和工人的情况，造成人员受伤现象。探地雷达检测工作需要团队协作才能完成，检测人员不能完全左右检测工作的进程，毕竟在检测中既要识别里程标识，又要对探地雷达图像有个即时的初步判释，很难再抽出一定精力指挥车辆的行驶和检测台架上工人的操作规范问题，这就需要对配合的工作做好技术交底，所有参与人员协作好了，才能保证数据采集的质量。总之，无论在何种情况下，都要优先保证检测工作的安全性。检测中工作情况如图2、图3所示。现场检测工具应根据所检测隧道横断面的变化调整相应的尺寸，以配合工人能从容保证探地雷达天线密贴隧道混凝土内壁为准。

图2 作业平台各测线示意图Fig.2 Schematic diagram of each measuring line of operation platform

图3 作业平台各测线示意图隧道拱部检测Fig.3 Schematic diagram of each measuring line of working platform tunnel arch detection

对既有铁路隧道质量检测，由于立柱、接触网等隧道内既有构件的干扰，给探地雷达检测带来了很大的困难，要保证数据采集的质量必须先保证天线与隧道混凝土界面的耦合质量。本文提供一种装置，如图4所示，该装置能调整雷达天线的位置和天线的倾斜角度，同时通过升阶系统可以调节雷达天线的高度，轻松避让存在立柱和接触网的地方，有效保证采集数据的速度和质量。

图5为既有线拱顶部位实测探地雷达图像，从图像中可知，标注区域三振相相连，成强反射信号，说明该处存在脱空。图6中，左侧所圈区域为探地雷达天线脱离混凝土表面后再秘贴混凝土表面的一个过程，为接触网和立柱所在区域，雷达图像因雷达天线避让立柱和接触网所形成的特殊波形，右侧所圈范围同图5中所圈范围，为混凝土存在脱空的判定特征波形。

图5 既有铁路隧道现场检测探地雷达图像1Fig.5 GPR measured data 1 of existing railway tunnel

图6 既有铁路隧道现场检测探地雷达图像2Fig.6 GPR measured data 2 of existing railway tunnel

对于既有铁路隧道底部质量检测，由于道砟和轨枕的影响，干扰信号较强，所采集的数据质量较差，可采用400 M天线进行检测，经后期数据处理手段能有效反应隧底的质量问题，如图7所示，雷达数据所反应的异常区域与轨道沉降检测所得结果一致，图片中所圈区域为异常区域，道床受到破坏，两侧发现翻浆点。

图7 既有铁路隧底实测数据Fig.7 Measured data of existing railway tunnel bottom

5 探地雷达图像的采集

在隧道现场检测过程中，探地雷达图像采集的质量尤为重要，这个过程是正确分析探地雷达图像的前提，如果所采集的探地雷达图像存在失真现象，不但不能找出隧道衬砌存在的质量问题，甚至可能误导检测人员，把质量情况未知的段落判释为缺陷，如天线在检测过程中未能与隧道衬砌表面密切，会引起初用雷达人员误判为脱空，实则为所采集的探地雷达图像失真，未采集到该段固有的雷达波形。检测中如发现探地雷达波形首波界面起跳，表明此时雷达天线已脱离隧道表面，此时应提醒工人注意雷达天线密贴隧道混凝土表面，避免继续采集无效雷达图像。

6 探地雷达检测应用关键技术

增益的调整在隧道检测中是一门艺术，增益调整是否得当直接关系到雷达数据采集的质量，甚至可能带来人为的干扰异常。在隧道质量检测中，上部衬砌一般采取3点增益方式，隧道底部一般多为5点增益方式，有时因隧道底部厚度较小也可采用3点增益方式。

增益的调整工作，一般从自动到手动然后回到自动，反复操作，最后回到自动。一般情况下可以采集到衬砌结构所固有的雷达波形特征，能够满足数据质量要求，但一些情况下，所采集数据的有效信息较少，必须回到手动状态下进行采集。

由于衬砌结构不同，所对应的增益参数也不一样。虽然增益点数没有固定的数值，但是有几点原则需要掌握：

1)增益值不易过大，以免雷达图像增幅过大，造成溢出现象，雷达图像显示为反射太强，白色反射太多，有效信息被覆盖，此时需降低增益。

2)增益值不易过小，雷达图像目标层反射信号太弱，星星点点的看不清，采集到的有效信息有限，此时需适当增大增益点的数值。

3)检测由有钢筋衬砌段落过渡到无钢筋衬砌段落时，要适当增大增益点的数值；反之，需适当降低增益点的数值。

4)在自动增益模式下检测时，若反复多次调试都无法获取更多的有效信息，则需切换到手动模式进行调整增益。

5)探地雷达首个增益点值默认为-20，如发现探地雷达波形首波反射较弱或非常弱的情况，应及时切换到手动模式，增加首个增益点的增益值，同时要兼顾对其后波形的影响。

总之，调整增益在雷达检测中占有很大的比重，调整合适的增益，有助于采集到高质量的衬砌结构固有雷达波形，为后期的波形分析打下良好的基础。如增益调整失当或雷达天线脱离隧道内壁，采集的雷达波形失真或信噪比低等，都会给后期的雷达波形分析工作带来麻烦，因此，必须确保雷达数据采集的质量，否则，一切都是罔谈。

7 结 论

通过对几百座运营铁路隧道衬砌质量工作进行分析总结，可得出如下结论：

1)运营隧道衬砌质量检测宜选择美国劳雷公司生产的SIR-3 000型(或SIR-4 000型)探地雷达，检测结果准确率高，仪器稳定运行时间长，特别适用于有天窗时限要求的运营铁路工作环境。

2)运营隧道衬砌质量检测雷达天线频率一般情况下宜选择400 MHz屏蔽天线来进行隧道的二衬质量检测，900 MHz屏蔽天线检测隧道二衬质量效果较差，不建议使用。

3)雷达检测纵向测线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰和左右边墙，各布1条；高铁隧道，一般都是在以上布线的基础上，隧底左右两侧同时布设一条测线；测线宜每10 m有一个里程标记。

4)运营隧道衬砌质量检测最特殊的一项工作就是检测工作平台，需要特殊加工一个可以在轨道上行走的检测工作平台，可快速避让立柱和接触网等既有构件，并确保天线与衬砌表面密切贴合，以保证雷达数据采集的速度和质量。

5)增益调整对检测中确保数据采集准确性至关重要，增益不宜过大也不宜过小，既要避免采集不到较多的有效信息，也要避免波形溢出，覆盖有效信息。