地质雷达在隧道衬砌检测中的应用研究

胡圣辉 梁世刚 周小兵 韦榕宽

作者简介：胡圣辉（1993—），硕士，工程师，主要从事隧道岩土工程检测工作。

文章着重研究素混凝土、钢筋混凝土介电常数与龄期的关系和二衬配筋段雷达天线不同前进方向对雷达图像识别的影响。研究发现：随着龄期的增加，相对介电常数逐渐减小，到28 d后趋于平稳，此时检测图像由于混凝土内部的水汽干扰减小，图像目标的识别更加清晰；400 MHz与900 MHz地质雷达天线在45°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针45°）检测钢筋混凝土衬砌时，检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像差距不大，但在90°及270°方向检测钢筋混凝土衬砌时，检测图像浅部目标信息难以识别，深部目标信息与0°方向的差距不大。

地质雷达；介电常数；检测图像

U456.3+3A331183

0 引言

近年来，地质雷达被广泛应用于公路隧道衬砌施工质量检测。作为一种无损检测手段，地质雷达可以有效评价既有隧道安全质量状况，并及时发现新建隧道质量缺陷，在施工阶段对隧道施工质量进行过程控制。地质雷达法检测二次衬砌质量时，由于隧道二次衬砌存在不均匀性且隧道环境变化复杂，地质雷达检测二衬时，标定的混凝土介电常数不能完全反映隧道整体的介电常数，得出的二次衬砌厚度值应允许一定范围误差［1］。隧道二衬厚度的判别不仅与介电常数的选取相关，且与检测图像的效果息息相关，为获取良好的地质雷达图像，提高数据解释的准确性，地质雷达现场检测增益设置应尽量在远离干扰源的边墙处进行［2］，根据现场实际情况调整时间窗、样点数、扫描速度、增益［3］。二次衬砌素混凝土段，采集的雷达图像，具有分层清晰、较易识别的特点，而对二次衬砌配筋密集地段，从采集的雷达图像识别衬砌厚度有一定的困难性。有学者认为针对二次衬砌配筋密集地段可适当提高天线频率，增加超声横波反射成像技术可提高二衬厚度判识准确率［4］。雷达图像识别一直是行业研究的热点，特别是在二衬配筋段采集的雷达图像，由于其存在“趋肤效应”，采集的图像较难识别，工程上一般根据实际情况采用滤波、反褶积、偏移等手段压制干扰波，实现去伪存真。其中，反褶积处理在对钢筋混凝土衬砌质量雷达检测数据时，通过压制多次反射波，一般会有较好的效果［5］，偏移手段成像处理可以有效识别间距较小的第二排钢筋，但当钢筋埋深增加，反射信号会减弱［6］，当二次衬砌钢筋保护层厚度过薄时，由于在衬砌表面发生了多次强反射，对中深层的缺陷信号判断会存在一定的干扰，此时反褶积及偏移手段效果对数据分析帮助较小。针对二衬配筋段深层信号判断，有学者认为二衬配筋段检测时，地质雷达天线采用TM模式（即天线移动方向与主筋垂直）时，浅层的目标体信息易识别，深层的目标体信息不易识别；采用TE模式（即天线移动方向与主筋平行）时，深层的目标体信息易识别，浅层的目标体信息不易识别［7］。地质雷达检测图像判别不仅与二衬配筋段“趋肤效应”相关，与二次衬砌浇筑龄期也息息相关，早期混凝土由于湿度梯度的存在，导致介电常数随着测试深度增加而增大［8］，有学者认为地质雷达检测二衬质量应在浇筑60 d后，也有学者认为二衬浇筑28 d后雷达检测图像影响（厚度及缺陷）较小。隧道检测衬砌质量除关心衬砌厚度这个指标外，还关心衬砌背后空洞这个指标，地质雷达检测隧道二次衬砌时，层间脱空一般较易识别，但识别层间脱空是否含水则较难识别，有学者提出可根据相位特征来识别层间脱空是否含水，其认为，反射波主峰表现为负波（通常为黑色）时，层间脱空不含水；反射波主峰表现为正波（通常为白色）时，层间脱空含水［9］。当现场情况复杂时，应优化检测方法，采用地质雷达、锤击、钻芯探测等多种检测方法组合检测，提高检测的准确性。目前对地质雷达检测的研究，主要集中在各类典型缺陷图像的识别上，部分学者研究了混凝土龄期对雷达检测图像的影响，亦有部分学者采集雷达自带软件功能进行二衬配筋段的检测图像处理识别，各学者所做工作都局限在某一方面，对工程检测数据采集与判识参考性有限，针对此，本文着重研究素混凝土、钢筋混凝土介电常数与龄期的关系、二衬配筋段雷达天线不同前进方向对雷达图像识别的影响。

[HS（3*1]1 地质雷达不同前进方向对雷达图像识别的影响研究

地质雷达在钢筋衬砌混凝土质量检测中的应用性较差，主要原因为密集的钢筋会产生“趋肤效应”，入射电磁波在衬砌钢筋中会产生大部分反射或损失，导致深处出现盲区，无法识别二衬衬砌背部的有效信息。有学者认为二衬配筋段检测时，地质雷达天线采用TM模式（即天线移动方向与主筋垂直）时，浅层的目标体信息易识别，深层的目标体信息不易识别；采用TE模式（即天线移动方向与主筋平行）时，深层的目标体信息易识别，浅层的目标体信息不易识别，基于此，本次试验以400 MHz与900 MHz雷达天线上标出的正向箭头为基准，前进过程中，逆时针分别从0°、45°、90°、135°、180°、270°检测同一段数据，具体数据如图1、图2所示。

400 MHz与900 MHz地质雷达天线在0°方向（即前进方向与天线上标出的方向相同）检测钢筋混凝土衬砌时，400 MHz天线检测图像局部可见背部钢拱架，可通过局部钢拱架来大致判断钢筋混凝土衬砌厚度；900 MHz天线检测图像较难看出背部钢拱架，钢筋混凝土衬砌厚度只能估计，存在一定的不确定性。

400 MHz与900 MHz地质雷达天线在45°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针45°）检测钢筋混凝土衬砌时，400 MHz天线检测图像局部可见背部钢拱架（图3），检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像差距不大，也可通过局部钢拱架来大致判断钢筋混凝土衬砌厚度；900 MHz天线检测图像较难看出背部钢拱架（图4），检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像相比，深部的水平层理增多，钢筋混凝土衬砌厚度依旧只能估计，也存在一定的不确定性。

有学者认为二衬配筋段检测时，采用TE模式（即天线移动方向与主筋平行）时，深层的目标体信息易识别，浅层的目标体信息不易识别，如图5、图6所示，采用400 MHz与900 MHz地质雷达天线在90°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针90°，TE模式）检测钢筋混凝土衬砌时，400 MHz天线检测图像深部局部可见背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°与45°方向的检测图像差距不大，但浅部的钢筋目标体信息基本无法识别；900 MHz天线检测图像较难看出背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°与45°方向的检测图像相比，差距不大。

如图7和图8所示，400 MHz与900 MHz地质雷达天线在135°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针135°）检测钢筋混凝土衬砌时，400 MHz天线检测图像局部可见背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像差距不大；900 MHz天线检测图像较难看出背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像相比，深部出现了多次震荡。

如图9、图10所示，400 MHz与900 MHz地质雷达天线在180°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针180°）检测钢筋混凝土衬砌时，400 MHz天线检测图像局部可见背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像差距不大；900 MHz天线检测图像较难看出背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像相比差距不大。

如图11、图12所示，400 MHz与900 MHz地质雷达天线在270°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针270°，TE模式）检测钢筋混凝土衬砌时，400 MHz天线检测图像深部局部可见背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°与45°方向的检测图像差距不大，但浅部的钢筋目标体信息基本无法识别，与90°方向的检测图像类似；900 MHz天线检测图像较难看出背部钢拱架，检测图像与地质雷达天线在0°与45°方向的检测图像相比，差距不大。

2 讨论

2.1 衬砌混凝土龄期对介电常数及雷达图像的影响

衬砌混凝土的配制主要采用砂石、水泥及水，其中砂石与水泥的相对介电常数差距不大，一般为5、6，水的相对介电常数较砂石明显较大，一般为81。由此可知衬砌混凝土中的含水情况对介电常数的影响极大，在衬砌混凝土浇筑完成后，水泥与水发生水化反应，随着混凝土龄期的增加，衬砌混凝土中的含水量逐渐减少，衬砌混凝土的相对介电常数逐渐减小，对于隧道中常见的C30的混凝土衬砌，28 d内随着水化反应的进行，衬砌混凝土含水量随时间增长而逐渐减小，介电常数也随之减小，28 d以后随着水化反应急剧减缓，衬砌混凝土中含水量基本不发生变化，相对介电常数逐渐趋于稳定［3］，有学者在衬砌混凝土不同龄期，取相同介电常数测试衬砌混凝土厚度，也得出了类似规律，如表1所示。即衬砌混凝土的相对介电常数在龄期28 d后呈基本稳定趋势，混凝土厚度实测值也逐渐趋于平稳，28 d后的混凝土厚度实测值离散型偏低。

衬砌混凝土龄期不仅对介电常数影响较大，而且对雷达检测图像的清晰度有较大的影响。当衬砌混凝土龄期为7 d时，此时衬砌混凝土含水量较高，整体密实度较差，电磁波在衬砌混凝土内部衰减严重，出现采集有效深度不深，深层信息无法识别的现象；当衬砌混凝土龄期为14 d时，水化反应产物不断填充于孔隙中，混凝土的密实度有所提高，电磁波在衬砌混凝土内部衰减程度减弱，此时雷达采集有效深度增加，但对部分深层的信息依旧无法识别；当混凝土龄期达到28 d时，随着水化反应的逐步减缓，衬砌混凝土含水率进一步降低，衬砌混凝土内部密实，电磁波在衬砌混凝土内部衰减较小，此时可探测到深层的有效信息。

2.2 地质雷达法检测隧道衬砌检测的不确定因素

（1）电磁波波速标定：依据规范每座隧道电磁波波速标定≥1处，当隧道长度＞3 km、衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数。混凝土材料、龄期和含水量的不同，对电磁波波速影响均较大，因此在实际检测中，电磁波波速的标定远不能满足要求，造成衬砌厚度或空洞深度的判释存在一定的误差。基于此，建议隧道衬砌电磁波波速应在龄期28 d后进行标定，每次检测时，有条件的均进行标定。

（2）测线的不确定性：地质雷达检测是一种以线代面的检测，严格意义上来说仍是一种抽检，因此测线如何布

置，布置在哪里就尤为重要。虽然规范规定了隧道检测纵向布线的位置和数量，但是由于检测时检测台车和检测人员的因素影响，很难保证同一测线总处于隧道同一位置，给衬砌空洞的处治位置带来了不确定性。

（3）检测台车和检测人员的不确定因素：目前检测台车大多采用在汽车、装载机等上焊接钢管架结构或采用可升降的支架等，此类方法均存在一定的安全隐患，且由于隧道内路面不平整，高低起伏，检测台架在行走过程中容易晃动，检测台车宜受到隧道内摆放的各种设备和机械的阻碍。雷达天线主要依靠人工将其与衬砌表面密贴，由于检测台车的晃动、人员无法长时间用力等原因，造成雷达天线不能一直有效地与衬砌表面密贴。

3 结语

（1）衬砌混凝土的相对介电常数在龄期28 d后呈基本稳定趋势，介电常数随龄期增加逐渐减小。

（2）400 MHz与900 MHz地质雷达天线在45°方向（即前进方向与天线上标出的方向逆时针45°）检测钢筋混凝土衬砌时，检测图像与地质雷达天线在0°方向的检测图像差距不大，但在90°及270°方向检测钢筋混凝土衬砌时，检测图像浅部目标信息难以识别，深部目标信息与0°方向的差距不大。

（3）天线倾斜时，由于没有完全密贴混凝土表面，会使雷达图像出现干扰，一般建议现场严格按照雷达天线上箭头方向进行检测。

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