探地雷達在隧道襯砌缺陷檢測中的應用

陳 偉 ， 常 軍 ， 鞏文龍 ，2

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州215011；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

我國隧道及地下工程事業(yè)自20世紀80年代以來，特別是進入21世紀以來得到了快速發(fā)展。據(jù)有關部門2016數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年底運營鐵路隧道有13 411座，總里程13 038 km;同時，對于10 km以上特長隧道的建設也是一大亮點，僅在2015年全年就新增特長隧道18座，總里程245 km[1－2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，在中國已經建成的隧道中，有接近三分之二的隧道存在病害，隧道襯砌作為隧道的主要支承結構，其質量的好壞關系到隧道能否安全運行，因此，尋求一種快速、無損、高效的檢測方法尤為重要。目前，探地雷達檢測被認為是一種較為合適的方法[3]。然而，探地雷達數(shù)據(jù)解釋技術與工程勘探所需的高精度和高分辨率的客觀要求還存在一定的距離。因此本論文從隧道雷達檢測的工程實例出發(fā)，在前人的基礎上，進一步分析解釋病害圖像的特點，從而提高解析隧道探地雷達的圖像精確度。

1 探地雷達電磁波基本理論

1.1 探地雷達基本原理

探地雷達通過發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，接收天線接收來自地下介質界面的反射波。依照電磁場與電磁波理論，雷達波在地下介質傳播過程中，如果遇到電性參數(shù)（介電常數(shù)[4]、磁導率、電導率）存在差異的地下目標體或物性分界面時，會發(fā)生反射、繞射現(xiàn)象；雷達波的傳播路徑、電磁場強度及波形也會隨介質的介電性質、幾何形態(tài)發(fā)生變化。因此根據(jù)天線接收到的回波雙程走時、幅度和波形等資料，可對回波進行相應的數(shù)據(jù)分析和處理，在結合實際工程地質概況以及其他參數(shù)，可以推測地下界面或地質體的結構分布、空間位置。探地雷達工作原理示意圖如圖1所示。圖1中“T”為發(fā)射天線;“R”為接收天線;x為發(fā)射天線與接收天線的間距，m；h為目標體的埋藏深度，m；εr為地下介質的相對介電常數(shù)。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

1.2 電磁波傳播特征

電磁波作為探地雷達探測時信息傳遞的媒介有其固有的傳播規(guī)律，借助其傳播規(guī)律可以獲取想要了解的重要信息。

探地雷達的電磁脈沖在介質中的傳播速度為

式中，c為空氣介質中電磁波的傳播速度，ε為介質的介電常數(shù)。

電磁波脈沖在探地界面上的反射系數(shù)為

式中，ε1、ε2分別為界面上下介質的相對介電常數(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。在探地界面上，相位與發(fā)射脈沖相同反射系數(shù)就為正，反之，反射系數(shù)為負[5]。常見介質相對介電常數(shù)如表1所列。

由于不同介質相對介電常數(shù)有所差異，對雷達波的削弱作用不一樣，探地雷達波通過不同介質材料時的傳播速度有所不同，故反射波的強弱也有所不同。當雷達波經過介質突變層時，反射波會出現(xiàn)能量的變化，而利用此方法就可以探測到地下或者工程設施內的介質分布情況，進而確定其內部結構。

雷達波經過不同界面時根據(jù)表2[6]可以得出各種介質的反射雷達波特點，對于襯砌結構來說，雷達波通過的介質主要有混凝土、鋼筋、鋼拱架、圍巖、空氣層以及含水層，雷達波在襯砌結構中不同介質的傳播以及反射規(guī)律[7]如下。

表1 常見介質相對介電常數(shù)

表2 常見地質現(xiàn)象及波型特征

（1）混凝土

襯砌的主要是由混凝土所構成?；炷潦怯伤嗪蜕鞍幢壤旌隙傻慕ㄖ牧希话慊炷劣捎诔浞值臄嚢杌旌戏瓷洳ㄐ螘^平穩(wěn)連續(xù)的，同相軸也相對穩(wěn)定。雷達波的反射率跟混凝土的密實度成正相關，通過分析混凝土層的雷達波形可以得出混凝土的密實度狀況。

（2）鋼筋及鋼拱架

襯砌中的主要介質除了混凝土還有鋼筋與鋼拱架。由于鋼筋是良導體，雷達波經過鋼筋與鋼拱架時幾乎不會被削弱，所以在雷達波經過襯砌與鋼筋的界面時會出現(xiàn)全反射，接受到的能量也很強，所以在雷達剖面圖上會出現(xiàn)顯著異常。一般鋼筋在雷達剖面圖上的特征圖形表現(xiàn)為雙曲線，圓弧頂所在的位置極為鋼筋的位置[8]。

（3）圍巖

不同于以混凝土為主的隧道襯砌，圍巖一般是不規(guī)則的巖土，反射相對較弱。因為混凝土材料與圍巖的相對介電常數(shù)差異較大，故通?？梢愿鶕?jù)雷達剖面圖中分層界面同相軸的位置確定襯砌的厚度[9]。

（4）空氣層

在使用地質雷達檢測襯砌時，如果存在脫空層，則會出現(xiàn)一段異常的反射波。由于雷達波在經過空氣層是會發(fā)生折射，且空氣與圍巖、混凝土層的波阻抗差異明顯，體現(xiàn)在雷達剖面圖上則時一段反方向的反射波且反射較強烈，波相白灰相間[10]。

（5）含水層

當襯砌中出現(xiàn)滲水等病害時，襯砌中則可能混入了含水層。水對雷達波有很強的削弱作用，所以當雷達波通過含水層時，會出現(xiàn)一段能量衰減的過程。

當雷達波通過不同介質時，會出現(xiàn)呈現(xiàn)一定規(guī)律的反射波，可以根據(jù)反射波來反推出襯砌內部以及襯砌背后的情況。對于隧道襯砌病害的檢測來說，主要檢測的病害為不密實、空洞、存在水、裂縫以及脫空等，這些病害的發(fā)生都伴隨著介質的改變，故可以利用地質雷達對襯砌病害進行檢測。在有鋼筋網(wǎng)的襯砌中，會出現(xiàn)金屬的強反射信號，根據(jù)這些反射的雷達波便可得知襯砌內部的結構，比如鋼筋與鋼拱架的分布。

1.3 探地雷達的分辨率

探地雷達的分辨率是指探地雷達分辨最小探地異常體的能力，分為垂直分辨率和水平分辨率兩種。探地雷達的波長是探地雷達垂直分辨率的主控因素[11]。當目標體的尺度大于1/2波長時，目標較容易被識別。假設為垂直最小可分辨層的厚度，其可由下式計算得出

式中，ε為介電常數(shù)；f為電磁波頻率；C為電磁波在真空中的傳播速度。

可見垂直分辨率與電磁波頻率和介電常數(shù)密切相關，頻率越高，介質的介電常數(shù)越大，D越小，即垂直可分辨層的厚度越薄，分辨率越高[12]。

探地雷達的水平分辨率是指探地雷達在水平方向上分辨最小探地異常體的能力。

式中，Rf為分辨率；H為反射面埋深。

當反射面的埋深為H，發(fā)射、接收天線的間距遠小于H時，Rf表征了水平分辨率的最小尺度。當目標體埋深越淺，雷達波頻率越高，波長越短，則Rf越小，水平分辨率越高，越有利于不良探地體的識別。反之，水平分辨率越低。

實際檢測過程中，現(xiàn)場作業(yè)條件差，雷達數(shù)據(jù)采集不可避免地受到過多干擾，如挖機、鉆機等機械施工，放炮等震動影響，對后期的數(shù)據(jù)處理帶來困難。不但降低檢測精度，而且對圖像的識別造成影響。因此，在實際檢測過程中應該合理安排檢測時間，盡量避開其他施工工序，減少干擾，提高信號接收質量，采集參數(shù)根據(jù)其探地條件優(yōu)化，數(shù)據(jù)處理解釋階段采用多種處理手段提高信噪比，進一步提升探地雷達檢測精度。

2 襯砌病害及常見識別方法

拱頂是隧道病害常常出現(xiàn)的位置，這與隧道的施工工藝密切相關，因此進行隧道襯砌檢測時通常選擇三條測線，即拱頂一條測線，拱頂測線左右兩側3～4 m處各布置一條側線。

采用MALA探地雷達和500 MHz、800 MHz屏蔽天線，對山東在建某隧道襯砌質量檢測。依據(jù)現(xiàn)場實際探地情況設置探地雷達參數(shù)，進行隧道襯砌檢測后，經過Reflexw專業(yè)軟件去直流漂移、切直達波、增益調整、去水平波、帶通濾波、滑動平均等步驟的處理，進一步提高了探地雷達圖像的質量和可辨識度。

2.1 確定襯砌厚度

初襯與圍巖的介電常數(shù)差異明顯，因此造成的反射信號有著顯著不同，在探地雷達圖像上，初襯與圍巖相交的界面層處常常表現(xiàn)為明顯的連續(xù)界限。由于施工技術的限制，隧道圍巖的開挖會出現(xiàn)大小不平的問題，這就使得隧道初襯與圍巖接觸部分呈現(xiàn)出高低不平的連綿狀起伏[13]。二襯與初襯介電常數(shù)有略微的差別，它們之間如果契合較好，在雷達圖像上則不容易觀察到其分界面或僅有較弱的反射信號。當襯砌中有鋼拱架和鋼筋網(wǎng)存在時，它們對雷達波的反射較強烈，在雷達圖像上可看到連續(xù)、強烈的反射圖像[14-15]?？梢愿鶕?jù)圍巖與襯砌之間介電常數(shù)的差異所形成的反射界限，推斷出襯砌的厚度。如圖2所示，紅線標出了二次襯砌圍巖的分界線。

如圖3所示，在黑色矩形標識內，可以看出明顯的綿延反射界限，反射強度較周圍大，根據(jù)它與上邊界的距離推斷出襯砌厚度。紅線所標出的襯砌厚度大致介于0.4～0.6 m之間，與設計厚度0.5 m基本一致。但在K4+254～K4+256有實測只有0.42 m，與設計厚度相差8 cm。

造成襯砌厚度不足的原因很多，一是毛洞開挖不平整或防水板鋪設不密實，造成襯砌與圍巖之間有空隙，如果長期受水及風化侵蝕，造成襯砌開裂或者掉塊，襯砌厚度減少。二是施工單位偷工減料，而監(jiān)管又不到位造成襯砌未按設計厚度，厚度減少。

圖2 雷達反射圖像1

2.2 脫空

脫空包含隧道襯砌內部的空洞，二襯與初支之間的空洞，初支與圍巖之間的空洞等。其中，襯砌內部的空洞通常是由于二襯注漿不密實或者初支噴漿不合理造成的，這種原因造成的空洞一般比較小，在雷達檢測圖像上為雙曲線反映。二襯與初支之間的空洞主要是因為在施作二襯的時候臺車變形，模板下沉，混凝土收縮導致兩者之間出現(xiàn)空洞，這種原因造成的空洞圖像并非雙曲線，而是出現(xiàn)了同相軸的異常。初襯與圍巖之間的脫空也是同樣的道理[16]。

如圖4、圖5所示，橢圓形范圍內出現(xiàn)了二襯的空洞，常成弧形、長方形或三角形，存在局部的強反射界面，內部反射雜亂。

圖4 雷達反射圖像3

圖5 雷達反射圖像4

2.3 不密實

由于隧道襯砌施工工藝的限制，常常會出現(xiàn)不密實的情況。不密實造成襯砌空隙率變大、強度降低、易遭受水及風化侵蝕，在雷達圖譜上表現(xiàn)為區(qū)域性的凌亂強反射區(qū)，波形較為雜亂，同相軸錯斷，均表現(xiàn)為“雜亂”的波阻特征[17]。

如圖6所示，矩形框內反射比較混亂，可看出比較明顯的反射界面。防水板鋪設時不緊密，有褶皺出現(xiàn)，常常造成初襯與二襯之間的不密實；混凝土調配不合理，含水率過大容易掉落或混凝土沒有搗實；拱頂混凝土澆筑時有氣泡產生，造成襯砌內部不密實。襯砌不密實，使襯砌強度降低，常采用后注漿處理。

圖6 雷達反射圖像5

2.4 鋼筋及鋼拱架分布

由于鋼筋和鋼拱架較周圍巖層性質差異較大，在有鋼筋和鋼拱架處呈現(xiàn)出亮的強反射，其中鋼筋呈連續(xù)的小月牙形分布，鋼拱架呈單個大月牙分布，波幅較鋼筋大，較容易識別。在處理后的雷達圖像上很容易看出鋼筋以及鋼拱架的數(shù)目，以及存在鋼筋缺失不緊密，襯砌鋼筋保護層偏厚等質量缺陷[18]。

如圖7所示，用“1”、“2”兩條橫線標出了襯砌中雙層鋼筋的排布情況。

圖7 雷達反射圖像6（兩條橫線分別為雙層鋼筋的分布圖）

如圖8所示，紅色橢圓區(qū)域內為單個鋼拱架雷達檢測圖，圖中可以清晰看到灰度圖的強弱顯示，從而得出鋼拱架的排布情況。

圖 8 雷達反射圖像7（圓圈內為鋼拱架）

3 工程實例

3.1 山東在建某隧道概況

山東在建某隧道是按雙向八車道設計，單洞最大開挖斷面為超過200 m2，屬于超大斷面隧道。其長度也超過3 000 m，探地條件十分復雜，穿越多條斷層破碎帶。斷層、破碎又是隧道施工時最常見的不良探地，受地下水影響，貍貓山地區(qū)溶洞較多，淺埋且穿越風景區(qū)，因此施工難度格外大，對工程質量尤為重視。

3.2 數(shù)據(jù)采集

3.2.1 儀器要求

在隧道探測過程中選用MALA探地雷達，在具體檢測過程中配備500 MHz和800 MHz屏蔽天線，其探測深度能夠到2 m，在探測精準度和深度上都能滿足此隧道襯砌厚度要求，并且可以掌握襯砌厚度的情況。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

對隧道二次襯砌混凝土質量和鋼筋情況進行了無損檢測，采用GPR探地雷達檢測方法，天線頻率為500 MHz屏蔽天線，圖9、圖10為探地雷達襯砌無損檢測照片。

圖9 隧道雷達初支現(xiàn)場檢測

圖10 隧道雷達二襯現(xiàn)場檢測

3.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)工程檢測經驗，數(shù)據(jù)處理采用MALA探地雷達系統(tǒng)的原配軟件及其它分析處理軟件，根據(jù)收集和掌握的設計、勘察、施工等資料進行計算分析。其主要處理方式是去直流漂移、切直達波、增益調整、去水平波、帶通濾波、滑動平均等處理手段壓制隨機的和規(guī)則的干擾波，突出有用的信息。根據(jù)處理后的雷達圖像，通過對檢測波形的時間剖面、波形及振幅的變化規(guī)律等的對比分析[19]，最后得到對隧道襯砌厚度、空洞、密實情況等進行綜合分析。隧道出口右洞二襯右拱腰K4+000～K4+800分析如圖11所示。

3.3.1 原始雷達采集信號（取K4+006～K4+030段分析）

隧道出口右洞二襯右拱腰K4+000～K4+800分析如圖11所示。

圖11 原始雷達采集信號

3.3.2 去直流漂移

在探地雷達檢測圖像中往往會出現(xiàn)直流漂移的問題，隧道檢測通常是高頻信號，較容易受到外界的地質因素產生偏移，因此，在雷達信號分析時應校正偏移的雷達波（即去直流漂移）。圖12為去直流漂移后的雷達圖像。

圖12 去直流漂移后的雷達圖像

3.3.3 切直達波

直達波是探地雷達干擾的主要來源之一，對于隧道襯砌這類淺層探測來說，直達波強度可與目標回波相比較，甚至大于目標回波幅度。因此，結合工程數(shù)據(jù)采取直接從探地雷達剖面圖中切去直達波信號干擾的方法。圖13為去除直達波干擾后的雷達圖像[20]。

3.3.4 增益調整

對于雷達接收的微弱信號（比如目標回波），為使得雷達波能夠更清晰，并且必須保證接收的信號能夠被信號處理軟件處理，需將此信號放大到合適的大小，即調大增益。對于雷達接收到的強信號，如各種干擾，為使信號更為清晰，保證接收機不過載，需調小增益。圖14就為增益調整之后的雷達圖像。

圖13 切直達波后的雷達圖像

圖14 增益調整后的雷達圖像

3.3.5 去水平波

水平干擾信號在增益之后都得到放大，為使雷達圖像更為清晰，需要去除水平波的干擾。圖15為去除水平波之后的雷達圖像。

圖15 去水平波后的雷達圖像

3.3.6 帶通濾波

通過帶通濾波可以讓一定頻帶寬度內的信號通過，而阻止頻帶以外的信號。如500 MHz屏蔽天線，頻帶寬度就為500MHZ左右，阻止差異太大的頻帶通過。圖16為帶通濾波后的雷達圖像。

圖16 帶通濾波后的雷達圖像

3.3.7 滑動平均

使前五步驟處理的圖像更平滑，并且去除大量的假信號，圖17為滑動平均后的雷達圖像。

圖17 滑動平均后的雷達圖像

其中，隧道出口右洞二襯右拱腰K4+653～K4+687段出現(xiàn)病害，圖18為拱頂位置處探地雷達檢測圖像，從檢測圖像中可以看到在K4+653～K4+687里程范圍內，矩形框內反射比較混亂，可看出比較明顯的反射界面和雜亂的反射波，因此，在此里程段出現(xiàn)不密實以及脫空現(xiàn)象；對脫空位置需要進行注漿處理。

圖18 K4+653～K4+687里程范圍拱頂位置檢測圖像（方框內為病害位置）

4 結語

本文在介紹探地雷達電磁波基本理論的基礎上，深入分析了不同介質對電磁波反射的影響，通過典型病害圖對襯砌內部缺陷進行詳述。根據(jù)工程實例，詳細闡明雷達信號的處理方法和信號的識別。

在工程檢測中，電磁波主要通過五種介質：混凝土、圍巖、鋼拱架、空氣層、含水層，根據(jù)電磁反射波可以確定這五種介質在襯砌中的分布，分析跟理論不同的圖像，從而得到襯砌中病害的位置和情況，并對各種病害圖像特點進行論證總結，為探地雷達檢測人員提供參考，為施工提供相應的技術支持，從而達到提高隧道襯砌質量的目的。