地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的應(yīng)用

楊玉冰

（江西省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道的襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的內(nèi)容相對(duì)較多，最為常見(jiàn)的是對(duì)隧道內(nèi)的初期支護(hù)、二次襯砌厚度進(jìn)行檢查，有些隧道在質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中還會(huì)增設(shè)對(duì)襯砌鋼筋網(wǎng)片、鋼支撐分布、襯砌背后空洞以及不密實(shí)帶等的檢測(cè)。因檢測(cè)項(xiàng)目較多，加之地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)方式，所以在實(shí)體隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中起步稍晚。近年來(lái)，隨著該領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大力推廣。但受專(zhuān)業(yè)檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際操作水平和環(huán)境等相關(guān)因素的影響，在檢測(cè)結(jié)果的解釋與判讀方面還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，相關(guān)技術(shù)和檢測(cè)人員需要不斷提升專(zhuān)業(yè)水平，從而使我國(guó)隧道檢測(cè)技術(shù)得以優(yōu)化。

1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用雷達(dá)對(duì)隧道質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，其工作原理主要是隧道內(nèi)被檢測(cè)的物質(zhì)因介質(zhì)不同而呈現(xiàn)出不同的介電特性。地質(zhì)雷達(dá)在工作的過(guò)程中，主要通過(guò)雷達(dá)發(fā)射或者接收不同頻率的電磁波（10～2500MHz），根據(jù)雷達(dá)接收的檢測(cè)物質(zhì)反射的電磁波形、振幅以及相位等多種特征，初步判斷檢測(cè)目標(biāo)的具體位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)等，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合被檢測(cè)隧道所處的環(huán)境、基本資料以及相關(guān)文獻(xiàn)等，對(duì)隧道質(zhì)量做出綜合的分析和判斷。例如，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)接收到的反射波頻率以及波形的相關(guān)資料推斷出隧道的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度（v）以及時(shí)間（t），計(jì)算出隧道界面的具體深度（D = v·t/2，其中v＝c/ ε，c 表示電磁波在真空中的傳播速度，通常設(shè)定為0.3m/ns；ε表示電磁波的相對(duì)介電常數(shù)）。此外，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)在對(duì)隧道內(nèi)的襯砌質(zhì)量進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)時(shí)，將地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線與接收天線緊密貼合在襯砌混凝土表面，并在其表面進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，可以清晰地看到建造隧道所使用的混凝土的內(nèi)部介質(zhì)并將其形成圖像。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線將電磁波傳送到隧道的混凝土襯砌中時(shí)，如果遇到了鋼筋、鋼支撐等混凝土，或者混凝土中有不連續(xù)的面、混凝土與空氣分界面或巖石分界面等發(fā)生反射，接收天線則會(huì)收到相應(yīng)的反射波。檢測(cè)人員則通過(guò)接收到的反射波力學(xué)特征以及運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可以進(jìn)一步對(duì)混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的具體應(yīng)用

為了更好地探究地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的具體應(yīng)用，以甘肅省天水市皇城隧道施工工程為例，施工中將使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)合工程的實(shí)際情況以及質(zhì)量要求和檢測(cè)目的制定合理的質(zhì)量檢測(cè)方案，主要對(duì)隧道的初級(jí)支護(hù)、二次襯砌以及仰拱的施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。與此同時(shí)，根據(jù)施工質(zhì)量檢測(cè)的相關(guān)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)和分析隧道在施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，進(jìn)而提出最佳的解決辦法，進(jìn)一步優(yōu)化隧道工程的相關(guān)方案，以保證隧道工程的總體質(zhì)量。

2.1 工程概況

皇城隧道為連通天水市秦州區(qū)和三陽(yáng)川新區(qū)修筑的隧道，設(shè)計(jì)為分離式的土巖質(zhì)隧道，工程建設(shè)時(shí)間為2018年11月—2020年12月。左線起訖樁號(hào)為（KZ66 + 200KZ68 + 366），總長(zhǎng)度為3323m，進(jìn)口平面線性設(shè)定為直線，洞身半徑設(shè)定為R＝2850cm，分別為圓曲線、直線和緩和曲線，出口半徑設(shè)定為R＝1060cm，為圓曲線。 右線起訖樁號(hào)為（YZ66 +220YK68 + 356），總長(zhǎng)度為1795m，進(jìn)口平面與左線相同，洞身半徑設(shè)定為R＝1060cm，分別為圓曲線、直線和緩和曲線，出口半徑設(shè)定為R＝1120cm，為圓曲線。設(shè)計(jì)縱坡坡度為-0.714%～- 2.3%，主洞內(nèi)的拱部半徑設(shè)定為R＝532cm，呈單心半圓，側(cè)墻為圓弧結(jié)構(gòu)，半徑為R＝786.2cm。隧道內(nèi)設(shè)有緊急停車(chē)帶，車(chē)帶位置的拱頂設(shè)計(jì)為圓弧結(jié)構(gòu)，半徑為R＝732.5cm，側(cè)拱的半徑為R＝528cm，側(cè)墻的半徑為R＝794cm，均為圓弧結(jié)構(gòu)。隧道的主路面寬度約為8.46m，緊急車(chē)帶的路面寬度為11m。對(duì)該隧道穿越的地層巖石進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，主要為紫紅色的砂巖、砂質(zhì)泥巖兩種，構(gòu)造呈現(xiàn)中厚層狀，遇水后容易軟化。整個(gè)隧道的洞身巖石層級(jí)為四級(jí)和五級(jí)，襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)定以地質(zhì)雷達(dá)工作原理中的“新奧法”為指導(dǎo)。初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)有防水結(jié)構(gòu)。

2.2 檢測(cè)方案與實(shí)施

2.2.1 檢測(cè)的目的

該隧道檢測(cè)采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)的目的是查看隧道是否與設(shè)計(jì)的方案和要求相符，具體包括以下內(nèi)容：

（1）關(guān)于初期支護(hù)：鋼支撐的間距、隧道所噴射的混凝土的厚度以及初期支護(hù)是否存在背后空洞以及不密實(shí)帶。

（2）關(guān)于二次襯砌：二次襯砌的具體厚度、鋼筋網(wǎng)以及襯砌背后是否存在空洞以及不密實(shí)帶。

（3）關(guān)于仰拱：仰拱和回填層的混凝土是否密實(shí)。

2.2.2 檢測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備和參數(shù)

使用的地質(zhì)雷達(dá)為美國(guó)生產(chǎn)，型號(hào)為SIR-3000，屏蔽天線為400MHz，具體參數(shù)設(shè)置如下：

（1）采集模式設(shè)定：時(shí)間模式。

（2）采樣點(diǎn)數(shù)：共計(jì)500 個(gè)點(diǎn)。

（3）采樣時(shí)窗：初期支護(hù)為30ns、二級(jí)襯砌為40ns、仰拱和隧道回填層為50ns。

（4）增益點(diǎn)數(shù)：設(shè)定為自動(dòng)與手動(dòng)增益兩種，總共4 點(diǎn)。

（5）疊加次數(shù)：設(shè)定為6 次。

2.2.3 測(cè)線布置

（1）初期支護(hù)檢測(cè)

該隧道在施工過(guò)程中采用了上下臺(tái)階的開(kāi)挖方法，為了保證地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的及時(shí)性和有效性，在實(shí)施襯砌檢測(cè)的過(guò)程中分為兩次進(jìn)行。一次是上導(dǎo)施工結(jié)束后，在拱頂和左右拱腰布置3 條縱向測(cè)線；另一次是下導(dǎo)以及仰拱鋪底結(jié)束后，在隧道的左右兩側(cè)邊墻位置布置2 條測(cè)線。如若在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其中某一位置的檢測(cè)效果不佳或者隧道存在質(zhì)量問(wèn)題，那么將會(huì)根據(jù)具體情況增設(shè)相應(yīng)的橫向測(cè)線，通常測(cè)線的間距為2～5m。

（2）二次襯砌檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)布設(shè)了拱頂、左右拱腰以及左右邊墻共5 條測(cè)線，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)避開(kāi)如臺(tái)架、襯砌臺(tái)車(chē)等可能對(duì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生干擾的干擾源。其中拱腰與邊墻的測(cè)線距離路面分別為4.5m 和1.5m。

（3）仰拱檢測(cè)

結(jié)合隧道的路面寬度，在施工中，對(duì)仰拱以及回填層進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)布置2 條縱向測(cè)線，分別是沿著隧道的重心點(diǎn)向左和向右2m 的距離。若檢測(cè)當(dāng)天遇到路面濕滑、有積水或障礙物時(shí)，則在原有測(cè)線的基礎(chǔ)上增設(shè)1～2 條縱向測(cè)線。

2.3 檢測(cè)結(jié)果分析

地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)軟件傳輸至電腦進(jìn)行處理，該工程采用的軟件為RADAN6.6。通常會(huì)在隧道檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)編寫(xiě)頭文件，如地質(zhì)雷達(dá)檢查隧道的名稱(chēng)、日期、部位以及檢測(cè)環(huán)境和干擾源等。在處理文件前，對(duì)錄入的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，形成地質(zhì)雷達(dá)圖像。檢測(cè)結(jié)果的圖像便于在后期進(jìn)行查閱和為數(shù)據(jù)解釋提供參考依據(jù)。檢測(cè)流程如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理的具體流程圖

2.3.1 初級(jí)支護(hù)檢測(cè)

（1）檢測(cè)結(jié)果

為保證隧道的施工質(zhì)量，在工程規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)整個(gè)工程的質(zhì)量進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，隧道整體的初期支護(hù)質(zhì)量較好且符合相關(guān)的施工要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在施工過(guò)程中，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量缺陷主要在于噴層背后的孔洞以及不密實(shí)帶，左右線共計(jì)檢出10 處明顯的初支背后脫空，長(zhǎng)度為35m，基本位置在隧道的拱頂和左右拱腰。分析其原因是在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，個(gè)別段落有超挖現(xiàn)象，而在處理超挖問(wèn)題時(shí)，并未按照噴射混凝土的施工規(guī)范施工，對(duì)超挖地段采用回填石或者其他回填物時(shí)，初期支護(hù)噴層和圍巖之間貼合度不足，存在空隙的問(wèn)題。

（2）雷達(dá)圖像分析

對(duì)于雷達(dá)圖像的分析，以2019年7月隧道的左線（KZ66+200—KZ68+260）段初期支護(hù)為例，該段的巖石主要為砂巖和泥巖，類(lèi)別為四級(jí)。支護(hù)設(shè)計(jì)為SIVc型的噴錨式支護(hù)。間距為1m，厚度為22cm。分別對(duì)左右拱腰、邊墻以及拱頂?shù)? 條測(cè)線進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。

（a）初期支護(hù)噴層厚度和鋼支撐間距的檢測(cè)

對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)后形成的圖像進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射電磁波進(jìn)入初級(jí)支護(hù)噴層后，順著圍巖的方向進(jìn)行傳播，在圍巖中遇見(jiàn)了鋼筋網(wǎng)片和鋼拱架。在呈現(xiàn)的圖像中可以看見(jiàn)明顯的強(qiáng)反射，振幅明顯增大，與混凝土表層的反射方向相反。因該部分的圍巖整體較為完整且?guī)r質(zhì)均勻，所以雷達(dá)在巖石中發(fā)射的電磁波呈現(xiàn)的反射強(qiáng)度逐漸減弱，頻率較低。結(jié)合對(duì)圖像的分析，依據(jù)圖像中呈現(xiàn)的反射位置、波形、能力強(qiáng)弱等可以發(fā)現(xiàn)初級(jí)支護(hù)噴層和圍巖之間的分界線，即為噴層的弧度，而具體的鋼支撐數(shù)量在圖像中有準(zhǔn)確的數(shù)值顯示，能夠推斷出隧道內(nèi)所設(shè)定的平均鋼支撐的間距。

（b）初級(jí)支護(hù)背后缺陷檢測(cè)

檢測(cè)出初級(jí)支護(hù)背后缺陷的隧道段落為（KZ66+870—KZ68+879）右側(cè)拱腰位置。對(duì)圖像進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在初期支護(hù)的背后出現(xiàn)了較強(qiáng)的反射信號(hào)，振幅明顯增強(qiáng)，且方向與混凝土表面所呈現(xiàn)的反射方向相反，紅色部分為脫空區(qū)。經(jīng)過(guò)對(duì)該部分的混凝土進(jìn)行破土取樣后發(fā)現(xiàn)，反射信號(hào)是由于在開(kāi)挖過(guò)程中有超挖現(xiàn)象，回填石塊后所致，脫空的深度為0.3m，范圍為0.6m。

2.3.2 二次襯砌的檢測(cè)

（1）檢測(cè)結(jié)果

二次襯砌檢測(cè)結(jié)果的時(shí)間為2018年8月—2019年3月。經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，二次襯砌的厚度滿足工程計(jì)劃的相關(guān)要求，但在質(zhì)量方面存在著部分問(wèn)題，主要體現(xiàn)在拱頂位置襯砌背后的脫空現(xiàn)象。共計(jì)發(fā)現(xiàn)8 處，長(zhǎng)度約為30m，分析其原因可能與隧道建設(shè)過(guò)程中采用的施工工藝有關(guān)。隧道拱部的位置不夠平整，防水板鋪設(shè)過(guò)緊，混凝土坍落度較大，拱部更容易出現(xiàn)二次襯砌背后的空腔現(xiàn)象。

（2）雷達(dá)圖像分析

雷達(dá)圖像分析主要選取隧道右線的（YK67+360—YKZ67+450）段，該段襯砌設(shè)計(jì)為SIVc 型，厚度為40cm。檢測(cè)線分別設(shè)在拱頂、左右拱腰與邊墻位置，采用連續(xù)檢測(cè)。

（a）二次襯砌厚度的檢測(cè)，經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)后，運(yùn)用軟件將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像。從圖像可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在襯砌混凝土中傳播，當(dāng)遇見(jiàn)鋼拱架、防水層等物質(zhì)時(shí)，出現(xiàn)了不同類(lèi)型的反射波形，依據(jù)該波形可以判斷二次襯砌的分層位置。在素混凝土中，由于混凝土的性質(zhì)，圖像顯示的反射幅度較弱，為判斷分層位置，通常選擇反射較強(qiáng)的鋼拱架表面的混凝土。而對(duì)于鋼筋混凝土的二次襯砌分層位置，一般選擇內(nèi)層鋼筋網(wǎng)下方出現(xiàn)的強(qiáng)反射信號(hào)點(diǎn)，然后由雷達(dá)軟件自動(dòng)識(shí)別出厚度分界線。（b）二次襯砌背后的缺陷檢測(cè)，通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)后所形成的圖像進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，二次襯砌背后的缺陷位置為（YKZ67+605.2—YKZ67+607.3）段的拱頂，存在的缺陷為三角形脫空，長(zhǎng)度約為1.2m。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，該位置的反射信號(hào)較強(qiáng)且振幅較大。分析產(chǎn)生脫空的原因是施工工藝，因工藝的限制導(dǎo)致向拱頂投送混凝土的坍落度小，且受重力的影響出現(xiàn)了空隙而導(dǎo)致脫空現(xiàn)象。

（3）仰拱及回填層密實(shí)性的檢測(cè)

仰拱作為隧道施工中最為重要的部分，其質(zhì)量將直接影響整個(gè)隧道的質(zhì)量，關(guān)系襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀況，此外其厚度和回填層的密實(shí)性也會(huì)影響隧道內(nèi)行車(chē)的安全和路面的穩(wěn)定性。采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)的位置為左右距離隧道中線，通過(guò)對(duì)該部分進(jìn)行連續(xù)掃描與鉆芯取樣檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，回填層的密實(shí)性較低且部分區(qū)域有脫空的現(xiàn)象。結(jié)合雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，選取了（YK66+439—YK66+442）段的雷達(dá)圖像。通過(guò)圖像顯示可以發(fā)現(xiàn)脫空和不密實(shí)帶主要集中于填充頂?shù)南路?，位置?0～100cm 之間，回填層檢測(cè)中有大量的片石混凝土，出現(xiàn)脫空的位置反射波所發(fā)出的頻率明顯較低且振幅大，而不密實(shí)帶的反射波形呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的狀態(tài)，且成分散的繞射弧形。鉆芯取樣后，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鉆芯內(nèi)的碎石較為松散且?jiàn)A雜著大量的泥土，脫空位置的石塊較大，尚未完全被混凝土包裹，較為松散。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在隧道中的應(yīng)用實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于隧道工程的質(zhì)量檢測(cè)來(lái)說(shuō)具有十分重要的意義，依據(jù)雷達(dá)所發(fā)射的電磁波信號(hào)以及經(jīng)軟件對(duì)隧道的具體數(shù)據(jù)和圖像的分析，能夠準(zhǔn)確、客觀且全面地反映出隧道的質(zhì)量，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的隧道質(zhì)量問(wèn)題加以糾正，從而保證隧道的施工質(zhì)量。與此同時(shí)，為隧道的施工人員以及設(shè)計(jì)人員提供重要的依據(jù)。