地質(zhì)雷達在隧道無損檢測中的實際應用

趙標

（中鐵大橋（南京）橋隧診治有限公司 江蘇南京 210061）

0 前言

隨著國家對基建的大力投入，為滿足山區(qū)之間通車的條件，隧道是縮短城鎮(zhèn)之間距離的有效方式。因此，我國隧道的擁有量也在迅速增長。但是在施工期間，存在種種隱蔽的工程質(zhì)量問題未被及時發(fā)現(xiàn)并處理，導致隧道內(nèi)的病害日趨嚴重。隧道施工質(zhì)量的好壞直接影響到隧道內(nèi)的行車安全。對隧道施工質(zhì)量缺陷進行精準的檢測，可及時有效地為隧道的缺陷修復和加固提供依據(jù)。傳統(tǒng)的隧道襯砌檢測方法，如敲擊、開孔或開槽取樣檢測，不僅操作困難、代表性差、偶然性大，而且破壞了襯砌的整體性[1]。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，采用地質(zhì)雷達進行隧道襯砌無損檢測，能夠有效解決傳統(tǒng)檢測方法的弊端。本文依托工程實例，來闡述和驗證利用地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量的可靠性。

1 隧道中常見質(zhì)量缺陷及圖像判定標準

1.1 隧道中常見的質(zhì)量缺陷

隧道中常見的質(zhì)量缺陷是襯砌厚度不足、空洞、襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖間存在間隙等。另外，在施工過程中較大的超挖部位回填的不密實，會導致在襯砌施工期間及竣工后圍巖碎塊掉落在襯砌之上，或出現(xiàn)因受力不均勻而引發(fā)的襯砌開裂等質(zhì)量問題，再經(jīng)受溫度變化、地下水等作用時，就容易產(chǎn)生諸如漏水、襯砌裂損、襯砌凍害、襯砌腐蝕等一系列病害問題，影響隧道的正常運營及使用年限[2]。

1.2 地質(zhì)雷達圖像判定標準

引用《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》（TB 10023—2004）中第4.3.8節(jié)及4.3.9節(jié)，根據(jù)地質(zhì)雷達圖像主要判定特征，進行判定襯砌狀況，詳見表1。

表1 地質(zhì)雷達圖像主要判定特征

2 地質(zhì)雷達檢測原理

2.1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達主機接收指令，產(chǎn)生電磁脈沖信號通過屏蔽電纜，由雷達天線發(fā)射某一中心高頻電磁波。電磁波在介質(zhì)的傳播過程中，遇到有差異的介質(zhì)時。一部分電磁波轉(zhuǎn)換成反射波，被接收天線接收并識別。其他部分繼續(xù)向前傳播，當再次遇到差異性介質(zhì)時。又一部分電磁波反射回地面，被接收天線接收并識別。其他部分繼續(xù)向前傳播，如此往復。電磁波在傳播時，遇到差異性介質(zhì)或缺陷時，電磁反射波的振幅與方向、反射波同相軸形態(tài)特征、以及反射波頻率是不一樣的。雷達天線接收器接收到反射波，識別后以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，地質(zhì)雷達工作原理見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達工作原理

2.2 地質(zhì)雷達波參數(shù)

電磁波在不同地質(zhì)層的反射系數(shù)：

反射系數(shù)常用來描述入射波與反射波相位與幅度的關系。在地質(zhì)界面上，如果相位與反射脈沖相同則反射系數(shù)為正，反之，則為負[3]。

地質(zhì)雷達分辨率是指分辨最小異常體的能力。包含水平分辨率和垂直分辨率。垂直分辨率即能夠分辨的兩個物體在垂直方向上的最小間隔。假設D為垂直最小可分辨層的厚度，其計算式為：

式中：ε-介電常數(shù)；f-電磁波頻率；C-電磁波在真空中的傳播速度。頻率越高，脈沖時間越短；分辨率越高，探測深度越淺。

水平分辨率：地質(zhì)雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸。兩異常體最小距離要大于第一菲涅爾帶。

式中：Rf-分辨率；λ-波長，H-埋深。

雷達記錄中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，依據(jù)同相軸的時間、形態(tài)、強弱、方向反正等進行解釋是地質(zhì)雷達最重要的基礎。根據(jù)深度公式：

式中：h-地層底界面深度（m）；t-電磁波傳播雙程時間（ns）；c-電磁波在空氣中的傳播速度（0.3m/s）；v-電磁波在材料中傳播速度（m/ns）；εr-材料相對介電常數(shù)。

3 工程實例分析

3.1 隧道基本概況

九華山隧道建成于2005年10月。位于南京內(nèi)環(huán)東線，下穿九華山公園，北接玄武湖隧道，它包括山體隧道和湖底隧道兩段，湖底段長約1600m。主體結(jié)構(gòu)混凝土三十余萬方。

隧道暗挖段主要在九華山體，通過裂隙發(fā)育的象山群石英砂巖及黃馬青組泥質(zhì)粉砂巖。山體段全長445m，起始里程樁號為K5+305～K5+750，九華山隧道結(jié)構(gòu)形式上是三聯(lián)拱方式。總寬約31m，中導洞在中間，直徑2m，兩個側(cè)導洞為雙向六車道。

3.2 檢測背景

2015年6月雨季，隧道山體段出現(xiàn)拱墻施工縫及地面滲水現(xiàn)象，排水溝槽有結(jié)晶析出，造成排水泵及排水邊溝堵塞。養(yǎng)護部門在拱頂打孔進行長期排水。至2016年3月冬春交替季節(jié)，地下水位較低時，發(fā)現(xiàn)施工縫及變形縫仍有少量滲漏水；隧道地面除個別變形縫附近有泛水外，其他部位地面良好。此次對九華山隧道混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行檢測，為“九華山隧道部分改造項目”提供必要的依據(jù)。

3.3 地質(zhì)雷達采集前參數(shù)設置

結(jié)合檢測要求及目的，此次檢測主要采用900MHz雷達天線。900MHz天線具有以下性能：①探測深度可達0.5～1.0m；②垂直探測精度為2.5cm。針對900MHz天線采集參數(shù)設置有以下幾點：①記錄長度為20～25ns；②每秒采樣50～100個測點；③每米50～100個掃描數(shù)；④每5m做一個標記；⑤增益一般選擇自動增益。如果選擇手動增益，第一個增益不宜超過10dB，最后一個增益不宜超過65dB；⑥增益點數(shù)1～3點。

3.4 地質(zhì)雷達圖像解釋

針對九華山隧道出現(xiàn)的病害，使用地質(zhì)雷達法對襯砌進行檢測，形成雷達圖像及缺陷波形，經(jīng)解讀后判定了襯砌存在的病害，并采用開孔的方法對部分缺陷進行驗證。

3.4.1 隧道襯砌厚度圖像解釋

不同介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，當電磁波遇到有電性差異界面或介質(zhì)時即發(fā)生反射，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，依據(jù)同相軸的形態(tài)、強弱、方向反正、時間等參數(shù)判斷兩種不同介質(zhì)的分界面。地質(zhì)雷達襯砌厚度圖像解釋見圖2。由圖2可知，實測襯砌厚度平均值為49mm，經(jīng)查襯砌設計厚度為45mm。由此可見地質(zhì)雷達法檢測襯砌厚度是可行的。

圖2 地質(zhì)雷達圖像顯示襯砌厚度雷達波形

3.4.2 隧道襯砌不密實圖像解釋

地質(zhì)雷達檢測發(fā)現(xiàn)，里程號為K5+573和K5+646的拱頂位置各存在一處疑似不密實異常區(qū)域，由圖3可以看出異常區(qū)反射同相軸不連續(xù)，且相位發(fā)生改變，深部存在雜亂反射。推斷，該測線上方淺部可能存在局部不密實異常，深部混凝土內(nèi)部材質(zhì)不均勻，沿隧道縱向延伸1.5m，需進行鉆孔驗證。開孔驗證圖像見圖4，由開孔圖像中明顯可以看出在推斷位置附近有一處襯砌不密實現(xiàn)象。因此驗證了以上異常區(qū)域的推斷是正確的。

圖3 地質(zhì)雷達缺陷檢測圖像

圖4 開孔驗證圖像

3.4.3 隧道襯砌鋼筋的圖像解釋

根據(jù)《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》（TB 10023—2004）中第4.3.9節(jié)地質(zhì)雷達圖像對鋼筋的判定特征的描述：鋼筋的地質(zhì)雷達反射圖像為連續(xù)的小雙曲線形強反射信號，實例見圖5，由圖中可以識別出該襯砌每2m間距內(nèi)有9處鋼筋（圖中標示的圓點為鋼筋位置）。因此由圖像可以得到鋼筋的位置、間距、有無鋼筋缺失等信息。

圖5 地質(zhì)雷達典型鋼筋圖像

4 地質(zhì)雷達圖像分析中的難點

4.1 二襯鋼筋信號的分析

隧道襯砌設計中大多為雙層鋼筋布置，外層鋼筋的雷達圖像很好判別。內(nèi)層鋼筋由于外層鋼筋信號的疊加干擾，一般較難看出具體位置，再加上施工中各種因素導致鋼筋位置偏離，所采集到的鋼筋信號并不成規(guī)則分布，這就給數(shù)據(jù)分析加大了難度。

4.2 介電常數(shù)的標定

由于每種物質(zhì)都有自己的介電常數(shù)，即使是相同的物質(zhì)在不同的環(huán)境下，它們的介電常數(shù)也會發(fā)生改變。因此，標定介電常數(shù)至關重要。介電常數(shù)大小會影響到二襯鋼筋保護層厚度的判定。

4.3 外界環(huán)境的干擾信號

地質(zhì)雷達實際探測時干擾信號會掩蓋部分真實信號，或者形成錯誤的缺陷信號，給圖像分析帶來難度。比如：運行中的發(fā)電機、鐵路隧道內(nèi)的高壓線、探測物體附近帶有強磁、強電的物體等。為了最大限度地獲取有用信息，準確識別隧道隱蔽的缺陷，我們應該對地質(zhì)雷圖像具有基本的識別及處理能力，壓制信號干擾，突顯真實的目標反射波，合理地提供檢測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

結(jié)合本次九華山隧道檢測案例分析可知，地質(zhì)雷達能快速、無損地檢測出鋼筋保護層厚度、襯砌密實狀況、襯砌鋼筋狀況等檢測結(jié)果。對隧道施工質(zhì)量檢測把關起到很大作用，但仍有些問題值得我們在實際工作中不斷積累經(jīng)驗進行細致研究：

（1）隧道脫空的判定目前僅停留在定性階段；由于檢測人員的經(jīng)驗和判定尺度存在差異，對于同一圖像的解讀可能得出不同結(jié)論。因此，認真研究各種缺陷的雷達反射波特征，對準確解釋檢測資料具有重要意義。

（2）由于在檢測作業(yè)中，存在外界干擾電磁波的的影響，導致雷達圖像清晰度方面無法保證，因此必須保證工作環(huán)境對檢測有利才能進行。

（3）對于實際檢測過程中介電常數(shù)的標定可根據(jù)實際情況進行。