探地雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究

任永強(qiáng)　段興龍

摘要：近些年，探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在礦產(chǎn)勘探、考古、巖土工程勘查、災(zāi)害地質(zhì)勘探、工程質(zhì)量檢測(cè)、建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)和軍事目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隧道襯砌作為保證隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性的永久性結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)脫空、不密實(shí)等缺陷，將對(duì)隧道的安全性和耐久性產(chǎn)生重大影響，造成大量的人力物力浪費(fèi)[1]。因此，在對(duì)隧道襯砌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，可以快速準(zhǔn)確地分析和處理襯砌缺陷，將大大降低后續(xù)施工和運(yùn)營(yíng)中的病害風(fēng)險(xiǎn)。本論述從工程實(shí)例中的隧道檢測(cè)入手，進(jìn)一步分析和闡述探地雷達(dá)探測(cè)圖像特性，以提高雷達(dá)圖像的識(shí)別能力和分析精度。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；隧道工程；襯砌質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TU470??????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1基本理論

1.1探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)由發(fā)射天線、接收天線、信號(hào)處理器等部分組成。雷達(dá)波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到地下目標(biāo)或電參數(shù)（介電常數(shù)、電導(dǎo)率等）不同的物理界面，就會(huì)發(fā)生反射和繞射；雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播路徑、場(chǎng)強(qiáng)、波形會(huì)因介質(zhì)介電特性和幾何形狀而不同。因此，可以通過(guò)天線接收到反射波的往返時(shí)間、幅度和波形，對(duì)返回波進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況，確定地下構(gòu)造分布界面或地質(zhì)體的空間位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2-3]。如圖1所示，為探地雷達(dá)的工作原理。圖1中 x 為發(fā)射天線與接收天線的間距，m；D 為目標(biāo)體的埋藏深度，m。

1.2電磁波傳播規(guī)律

探地雷達(dá)的電磁脈沖在介質(zhì)中的傳播速度為

式中，εr 為相對(duì)介電常數(shù)，c 為電磁波在真空中的傳播速度，ν為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

電磁波在物質(zhì)界面上的反射系數(shù)為

式中，R 為反射系數(shù)，εr 1、εr2為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

因?yàn)椴煌刭|(zhì)體或結(jié)構(gòu)物相對(duì)介電常數(shù)不同，對(duì)雷達(dá)波衰減作用也各不相同，雷達(dá)波穿過(guò)不同地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)物時(shí)傳播速度不同，故反射波強(qiáng)度也有所區(qū)別。當(dāng)雷達(dá)波穿過(guò)介質(zhì)材料突變體時(shí)，反射波能量就隨之發(fā)生變化，通過(guò)該方法可快速高效確定地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)物的構(gòu)造分布[4]。

對(duì)于隧道工程襯砌質(zhì)量檢測(cè)，雷達(dá)波主要經(jīng)過(guò)圍巖、襯砌混凝土、鋼拱架、鋼筋和空氣等介質(zhì)，不同介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播和反射規(guī)律描述如下。

1.2.1? 混凝土

襯砌由初支與二襯組成。主要建筑材料均為混凝土，混凝土按配比充分振搗攪拌后，密實(shí)度良好，雷達(dá)波呈現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的圖像，同相軸也相對(duì)穩(wěn)定?；炷琳駬v不充分、澆筑不密實(shí)，則雷達(dá)波圖像呈局部雜亂狀?；炷翝仓軐?shí)度越好雷達(dá)波越連續(xù)穩(wěn)定，根據(jù)這一規(guī)律，混凝土密實(shí)情況可以借助混凝土層雷達(dá)波形圖分析來(lái)評(píng)價(jià)。

1.2.2 鋼筋與鋼拱架

除混凝土外，襯砌內(nèi)還包括鋼筋和鋼拱架。鋼筋和鋼拱架是良好的導(dǎo)體，雷達(dá)波在穿過(guò)它們時(shí)幾乎沒(méi)有衰減，當(dāng)雷達(dá)波穿過(guò)襯砌混凝土與鋼筋、鋼拱架間的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射，接收到的反射波能量非常強(qiáng)，反應(yīng)在雷達(dá)剖面圖上即為明顯異常。通常，雷達(dá)剖面圖上鋼筋、鋼拱架的特征圖形呈雙曲線，弧頂?shù)奈恢眉翠摻?、鋼拱架位置（如圖2～3所示）。

1.2.3 圍巖

與混凝土襯砌不同，圍巖巖層通常無(wú)規(guī)則，反射信號(hào)相對(duì)較弱。由于混凝土與圍巖相對(duì)介電常數(shù)差異較大，通?？梢愿鶕?jù)雷達(dá)剖面圖中層狀界面同相軸的位置來(lái)確定襯砌厚度。

1.2.4 空氣層

探地雷達(dá)檢測(cè)襯砌時(shí)，如果有空氣層，就會(huì)出現(xiàn)異常的反射波。由于雷達(dá)波在穿過(guò)空氣層時(shí)會(huì)折射，并且空氣的雷達(dá)波阻抗與圍巖和混凝土層的雷達(dá)波阻抗明顯不同，因此在雷達(dá)剖面圖中是相反方向的強(qiáng)烈反射波，波相為灰白相間[4]。

雷達(dá)波穿過(guò)襯砌時(shí)，會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的反射波，借助反射波雷達(dá)剖面圖可以分析、推斷其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隧道施工過(guò)程中，襯砌往往容易出現(xiàn)不密實(shí)、空洞、厚度不足等質(zhì)量缺陷，這些缺陷均伴隨著介質(zhì)的變化，故可充分利用探地雷達(dá)進(jìn)行襯砌質(zhì)量缺陷的無(wú)損檢測(cè)。在設(shè)置鋼筋、鋼拱架混凝土襯砌內(nèi)，根據(jù)辨識(shí)強(qiáng)烈的金屬反射信號(hào)，分析推斷襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)與鋼筋、鋼拱架的分布和數(shù)量等。

2探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1數(shù)據(jù)采集

隧道襯砌檢測(cè)時(shí)通常布置5條測(cè)線，即拱頂、左右兩側(cè)拱腰、左右兩側(cè)邊墻位置。

采用 Impulse Radar 探地雷達(dá)600 MHz 屏蔽天線，對(duì)甘肅在建某隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。其探測(cè)深度可達(dá)1.8 m，探測(cè)深度和精度均可以達(dá)到隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)要求，并能較準(zhǔn)確分析襯砌實(shí)際厚度。如圖4所示，為探地雷達(dá)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的照片。

2.2數(shù)據(jù)處理

隧道襯砌檢測(cè)后，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入Reflexw專業(yè)處理軟件，通過(guò) move starttime（靜校正切除）、subtract- DC- shift（DC 去直流漂移）、energy decay（增益）、sub- tracting average（水平干擾消除）、bandpassbutterworth （帶通濾波）、running average（滑動(dòng)平均）等步驟，去除雷達(dá)電磁波中有規(guī)律的或者隨機(jī)的干涉波，保留并凸顯有用雷達(dá)信號(hào)，提升雷達(dá)剖面圖像質(zhì)量、清晰度和可辨識(shí)度。通過(guò)對(duì)雷達(dá)反射波波形、振幅等辨識(shí)判斷，最終實(shí)現(xiàn)襯砌厚度、空洞、密實(shí)度的綜合分析。

2.2.1? 原始雷達(dá)采集信息（以K97+354-K97+336段為例）

隧道出口右線 K97+354-K97+336段拱頂原始雷達(dá)信號(hào)如圖5所示。

2.2.2? Move starttime（靜校正切除）

直達(dá)波是雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)中的主要干擾源之一。通過(guò)靜校正切除直達(dá)波，找到被測(cè)介質(zhì)（襯砌）表面。如圖6所示，為 move starttime后的雷達(dá)圖像。

2.2.3? Subtract-DC-shift（DC 去直流漂移）

現(xiàn)場(chǎng)采集的雷達(dá)波信號(hào)原始數(shù)據(jù)通常包含偏離振幅零點(diǎn)基準(zhǔn)線的子波，DC 去直流漂移就是消除偏離振幅零點(diǎn)的子波以及隨后的延遲振蕩[5]，確保子波振幅零點(diǎn)位于基準(zhǔn)線上。

2.2.4? Energy decay（增益）

雷達(dá)波信號(hào)在介質(zhì)中傳播導(dǎo)致信號(hào)幅值不斷衰減，后期信號(hào)相對(duì)很弱。為了增強(qiáng)雷達(dá)波形圖的可視效果，清晰辨別分析雷達(dá)信號(hào)信息，需要通過(guò) energy de- cay（增益）處理放大波形信號(hào)。如圖7所示，為 Sub- tract-DC-shift 與 energy decay 后的雷達(dá)圖像。

2.2.5? Subtracting average（水平干擾消除）

雷達(dá)波水平干擾信號(hào)在 energy decay 處理后皆被放大，為準(zhǔn)確判斷分析結(jié)果，須消除放大后的雷達(dá)波水平干擾信號(hào)。

2.2.6? Bandpass butterworth（巴特沃斯帶通濾波）???? Bandpass butterworth（巴特沃斯帶通濾波）處理即保留低頻截止頻率與高頻截止頻率帶寬間的雷達(dá)波信號(hào)[5]。

2.2.7? Running average（滑動(dòng)平均）

對(duì)選定的雷達(dá)波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)一步 running average （滑動(dòng)平均）處理，利用平均值替換所選數(shù)據(jù)，降低雷達(dá)波數(shù)據(jù)噪聲，平滑雷達(dá)圖像。如圖8所示，為完成處理后的雷達(dá)圖像。

3工程實(shí)例

3.1甘肅在建某隧道概況

甘肅某在建隧道按雙向四車道設(shè)計(jì)，隧址區(qū)高程3185.00～2943.00 m，相對(duì)高差242.00 m 。隧道左線最大埋深174.51 m，右線最大埋深182.70 m 。隧址區(qū)屬多個(gè)大地構(gòu)造單元的交匯部位，斷裂、褶皺十分發(fā)育，構(gòu)造形跡主要呈北西西向、北北西向展布[6-7]。斷層、褶皺附近巖體破碎，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，是隧道施工時(shí)最常見(jiàn)的不良地質(zhì)，因此施工難度較大，工程質(zhì)量管控須尤為重視。

現(xiàn)將該隧道實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并及時(shí)解決的一些突出問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2確定襯砌厚度

初支噴射混凝土與圍巖材質(zhì)不同，兩者相對(duì)介電常數(shù)值相差較大，因此初支與圍巖雷達(dá)反射波信號(hào)差異顯著，界限明顯。由于施工技術(shù)參差不齊，隧道開(kāi)挖后圍巖表面均存在凹凸不平的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致隧道初支與圍巖交界面呈高低不平的連綿形狀。

二襯與初支均為混凝土襯砌，其介電常數(shù)差異較小，若二襯與初支形成整體性較好，則不易在雷達(dá)圖像上反映出二襯與初支的分界面。當(dāng)二襯中設(shè)置鋼筋、初支中架立鋼拱架時(shí)，它們均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷達(dá)反射波，在雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)出強(qiáng)烈且連續(xù)的反射圖像[8]。則可以根據(jù)鋼筋、鋼拱架反射波形成的明顯界限，推斷出襯砌厚度。如圖9所示，標(biāo)出了二襯分界線。

如圖9所示，二襯有鋼筋段落根據(jù)二襯鋼筋反射圖像推斷出二襯厚度。紅線所標(biāo)出的二襯厚度大致介于0.5～0.8 m ，滿足設(shè)計(jì)厚度0.5 m 的要求，但絕大部分段落二襯厚度均超出0.6 m，造成了材料的不必要浪費(fèi)。另從圖9鋼筋雷達(dá)波形圖分析可見(jiàn)，該段二襯鋼筋保護(hù)層厚度控制極不均勻。圖10中二襯無(wú)鋼筋段落根據(jù)初支鋼拱架反射圖像推斷出二襯厚度。紅線所標(biāo)出的襯砌厚度大致介于0.4～0.6 m，滿足設(shè)計(jì)厚度0.4 m 的要求。

3.3脫空

脫空分別包括隧道襯砌內(nèi)空洞，襯砌間空洞，襯砌與圍巖間空洞。襯砌內(nèi)空洞通常是因初支噴射混凝土或二襯混凝土澆筑不密實(shí)所致，空洞往往較小。襯砌間空洞主要是因?yàn)槎r與初支之間的防水板鼓包形成空氣夾層所致，或者是在澆筑二襯混凝土?xí)r，二襯臺(tái)車變形下沉，混凝土收縮形成空腔，這種原因產(chǎn)生的空洞，雷達(dá)波形圖像呈現(xiàn)為同相軸異常[8]。襯砌與圍巖間的空洞主要由于圍巖不穩(wěn)定，掉塊嚴(yán)重，后期未噴實(shí)，或者噴射混凝土過(guò)程中人為因素所致，空洞圖像也為同相軸異常。

如圖11所示，為拱頂初支與圍巖間的空洞，局部均存在強(qiáng)反射界面，內(nèi)部反射雜亂。

對(duì)圖11中雷達(dá)波形圖異常的段落現(xiàn)場(chǎng)鉆孔核查（如圖12所示），發(fā)現(xiàn)該段拱頂位置初支背部存在大面積空洞，空洞長(zhǎng)5 m、寬2.5 m、深30cm。造成該段初支背部空洞的原因主要是施工單位監(jiān)管不到位，勞務(wù)人員對(duì)超挖部分視而不見(jiàn)，故意采取不正當(dāng)噴射方法制造空洞。

3.4不密實(shí)

由于隧道襯砌施工技術(shù)的局限性，經(jīng)常會(huì)因一些原因?qū)е乱r砌混凝土澆筑不密實(shí)。襯砌混凝土不密實(shí)則強(qiáng)度降低、孔隙率變大且容易被水與風(fēng)化侵蝕，在雷達(dá)圖像上，具體顯示為區(qū)域雜亂的強(qiáng)反射區(qū)域[8]。

如圖13所示，二襯混凝土配比不合理，含水率過(guò)大或混凝土振搗不充分，拱頂混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生氣泡，均可導(dǎo)致襯砌內(nèi)部不密實(shí)。襯砌不密實(shí)，強(qiáng)度降低，往往后期采用注漿處理。

4結(jié)論與建議

（1）探地雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌背部空洞、襯砌厚度較易實(shí)現(xiàn)，并且檢測(cè)速度快、效率高，適用于現(xiàn)場(chǎng)大面積連續(xù)快速檢測(cè)。

（2）由于隧道襯砌表面往往凹凸不平，雷達(dá)天線在檢測(cè)過(guò)程中隨著襯砌表面起伏，容易產(chǎn)生較大干擾信號(hào)。在檢測(cè)長(zhǎng)大隧道時(shí)，累計(jì)的里程誤差往往會(huì)因?yàn)槔锍涕L(zhǎng)而扭曲檢測(cè)結(jié)果。故在進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)需特別注意盡量減少人為錯(cuò)誤，提高檢測(cè)精度。

（3）建議除檢測(cè)單位之外，管理單位可創(chuàng)新性開(kāi)展隧道探地雷達(dá)襯砌檢測(cè)工作，更準(zhǔn)確可靠掌握隧道襯砌質(zhì)量缺陷，杜絕檢測(cè)單位檢測(cè)數(shù)據(jù)敷衍造假現(xiàn)象，規(guī)范檢測(cè)單位管理，有效提升隧道施工質(zhì)量。

5結(jié)束語(yǔ)

本論述通過(guò)簡(jiǎn)述雷達(dá)波檢測(cè)原理，研究分析了不同材質(zhì)對(duì)電磁波反射情況的影響，明確了雷達(dá)信號(hào)處理方法和雷達(dá)剖面圖的分析辨識(shí)。借助工程實(shí)例，通過(guò)電磁反射波圖像分析確定襯砌中混凝土、鋼筋、鋼拱架等材質(zhì)的分布情況和襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)，判斷識(shí)別雷達(dá)波異常圖像，得到襯砌中具體質(zhì)量缺陷類別和精確位置，并形成對(duì)各種質(zhì)量缺陷、病害圖像特征的論證和總結(jié)，為工程檢測(cè)人員提供經(jīng)驗(yàn)參考，為施工技術(shù)人員提供技術(shù)支持，以達(dá)到隧道襯砌施工質(zhì)量提升的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉藝瑋.探地雷達(dá)襯砌檢測(cè)典型缺陷圖像特征研究[J].四川建筑，2019，39（6）：131-132，135.

[2] 陳偉，常軍，鞏文龍.探地雷達(dá)在隧道襯砌缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].蘇州科技大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2020，33（3）：54-61，71.

[3] 陳鵬.基于地質(zhì)雷達(dá)法道路內(nèi)部缺陷檢測(cè)的模型試驗(yàn)研究[D ].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2017.

[4] 任東亞.基于地質(zhì)雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)的鐵路隧道襯砌病害識(shí)別與安全性評(píng)估系統(tǒng)研究[D ].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[5] 張理輕，馬曄，楊宇.鉆孔雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)及分析[J].地震工程學(xué)報(bào)，2014，36（4）：1107-1112.

[6] 王克俊.狼那灣溝隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制對(duì)策研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2020（4）：256-259.

[7] 郭子坤.它哇1號(hào)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及治理方案優(yōu)選[D ].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2020.

[8] 周陳嬰.隧道襯砌檢測(cè)探地雷達(dá)圖像分析與工程應(yīng)用[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，48（4）：61-68.