熊昌盛，李晉平，陳 輝，胡在良

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

受施工水平和工藝的影響，隧道施工常出現(xiàn)混凝土襯砌背后脫空或不密實(shí)等質(zhì)量問題，而由于隧道建造過程中的主觀因素，也存在不按設(shè)計(jì)設(shè)置襯砌鋼筋和初支鋼架等人為缺陷，給施工或營運(yùn)安全帶來隱患。因此，對(duì)隧道襯砌質(zhì)量過程檢測(cè)和控制尤為重要。地質(zhì)雷達(dá)可滿足隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的要求。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，是利用主頻為106～109Hz的高頻電磁脈沖波的反射原理來實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的。發(fā)射天線發(fā)出的電磁波在混凝土介質(zhì)中傳播，遇介質(zhì)變化界面后反射被接收天線所接收，分析電磁波走時(shí)和反射形態(tài)就可以確定襯砌厚度、鋼筋或鋼拱架排列狀況和襯砌不密實(shí)或脫空范圍。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)記錄上的反射波和入射波的時(shí)間差ΔT，即可按下式得到。即

式中，H為目標(biāo)層厚度;V為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度;C為電磁波在大氣中的傳播速度，約3×108m/s;ε為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅大小與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為

式中，ε1，ε2分別為界面上、下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

雷達(dá)波反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。雷達(dá)波的穿透深度主要取決于介質(zhì)的導(dǎo)電性和雷達(dá)天線的中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越小;天線中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中，由于受場(chǎng)地限制，雷達(dá)數(shù)據(jù)采集過程中存在很多干擾，使后期資料處理比較困難，給解釋結(jié)果帶來誤差，影響檢測(cè)精度。因此，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中應(yīng)盡量避免干擾，優(yōu)化采集參數(shù)以及在數(shù)據(jù)處理解釋階段采用多種處理手段提高信噪比，從而提高雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在隧道襯砌中的檢測(cè)精度。

2 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置及注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)的參數(shù)設(shè)定主要包括時(shí)窗長(zhǎng)度、采樣點(diǎn)數(shù)、增益大小調(diào)節(jié)、濾波設(shè)置等。參數(shù)設(shè)置是否合理將直接影響到記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置應(yīng)遵循下述幾個(gè)原則。

1)時(shí)窗的選取原則是既不能選的太小而丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選的太大而降低了垂向分辨率。一般選取探測(cè)深度H為目標(biāo)深度的1.5倍。以目標(biāo)體的反射信號(hào)大約處在采樣時(shí)窗的1/3～2/3范圍內(nèi)為宜，避免將來信號(hào)處理可能造成的邊緣干擾。

2)為了保證垂向上的高分辨率，采樣點(diǎn)數(shù)在容許的情況下應(yīng)盡量選大。采樣點(diǎn)數(shù)越大采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量越高，但同時(shí)也會(huì)影響采樣速度。所以在保證大于最低采樣點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，建議選擇采樣點(diǎn)數(shù)512(如果沒有采樣速度的要求，為了獲得更豐富的采樣數(shù)據(jù)，應(yīng)選擇采樣點(diǎn)數(shù)更高的1 024或2 048)。

3)當(dāng)檢測(cè)測(cè)線范圍內(nèi)圍巖類別發(fā)生變化時(shí)，尤其是隧道襯砌在鋼筋混凝土和素混凝土之間變化時(shí)，應(yīng)特別注意增益大小的調(diào)節(jié)，以免增益過大使鋼筋或初支鋼架的反射溢出，增益過小則無法得到素混凝土襯砌與初支的清晰界面反射。

4)對(duì)于雷達(dá)濾波，一般選擇帶通濾波器。低截頻率的設(shè)置，以天線中心頻率的1/6～1/8為宜，即高于這個(gè)頻率的信號(hào)能夠通過被儀器接收;高截頻率的設(shè)置，以天線頻率的2.0～2.5倍為宜，低于這個(gè)頻率的信號(hào)能夠被接收。

3 檢測(cè)實(shí)例及驗(yàn)證

本次采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR3000型便攜式地質(zhì)雷達(dá)和400 MHz天線，對(duì)某條鐵路多座隧道進(jìn)行了襯砌質(zhì)量檢測(cè)。按照以上現(xiàn)場(chǎng)采集參數(shù)設(shè)置要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)后，經(jīng)過專業(yè)軟件的去噪、濾波等處理進(jìn)一步提高了雷達(dá)剖面的信噪比及分辨率，通過鑿孔對(duì)雷達(dá)圖像顯示的各種缺陷進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 鋼筋設(shè)置驗(yàn)證

目前隧道施工中鋼筋布設(shè)常見的問題主要有襯砌鋼筋保護(hù)層偏厚，間距比設(shè)計(jì)間距偏大，或者設(shè)計(jì)為雙層鋼筋而實(shí)際只布設(shè)單層鋼筋，甚至不設(shè)鋼筋的情形。地質(zhì)雷達(dá)能準(zhǔn)確清晰地查明鋼筋保護(hù)層偏厚、間距偏大或者未設(shè)置鋼筋的情形，開孔驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)到100%。對(duì)于雷達(dá)圖像疑似只布設(shè)單層鋼筋的情形，本次破檢10處，其中8處驗(yàn)證為只布置單層鋼筋，2處為設(shè)置雙層鋼筋但鋼筋保護(hù)層過厚(分別為40 cm和90 cm)，準(zhǔn)確率達(dá)到80%。

某段隧道設(shè)計(jì)為雙層鋼筋，實(shí)測(cè)顯示僅布置單層鋼筋，見圖1。破檢結(jié)果亦表明該范圍內(nèi)僅設(shè)置單層鋼筋，平均間距為20 cm，見圖2。

圖1 典型雷達(dá)反射圖像1

某段隧道設(shè)計(jì)為雙層鋼筋，實(shí)測(cè)雷達(dá)反射信號(hào)與圖1非常相似，疑似僅布置單層鋼筋，見圖3。通過破檢，該段實(shí)際布置為雙層鋼筋，鋼筋平均間距為20 cm，雙層鋼筋層間距為40 cm，但鋼筋保護(hù)層厚度過厚，達(dá)到了90 cm，見圖4。

圖2 典型雷達(dá)反射圖像1對(duì)應(yīng)破檢照片

圖3 典型雷達(dá)反射圖像2

圖4 典型雷達(dá)反射圖像2對(duì)應(yīng)破檢照片

某段隧道設(shè)計(jì)為雙層鋼筋，實(shí)測(cè)雷達(dá)圖像顯示為2.5 m內(nèi)僅布置單層鋼筋，2.5 m內(nèi)未設(shè)置鋼筋，直接顯示初支鋼架(圖5)。破檢長(zhǎng)度5.0 m，寬1.5 m，在破檢范圍內(nèi)，顯示2.5 m長(zhǎng)度內(nèi)設(shè)置單層鋼筋、另2.5 m內(nèi)無鋼筋，如圖6所示。

圖5 典型雷達(dá)反射圖像3

3.2 格柵鋼架設(shè)置驗(yàn)證

圖6 典型雷達(dá)反射圖像3對(duì)應(yīng)破檢照片

鋼架設(shè)置常見問題為間距超標(biāo)或未按設(shè)計(jì)布設(shè)鋼架。某段隧道設(shè)計(jì)格柵鋼架間距0.8 m，實(shí)測(cè)雷達(dá)圖像顯示格柵鋼架間距約為1 m左右，如圖7。破檢長(zhǎng)度3.6 m，在破檢范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)3榀格柵鋼架，平均間距約為1 m，見圖8。

圖7 典型雷達(dá)反射圖像4

圖8 典型雷達(dá)反射圖像4對(duì)應(yīng)破檢照片

3.3 襯砌厚度與背后脫空驗(yàn)證

由于施工和用料配合比的原因，襯砌混凝土的相對(duì)介電常數(shù)在每座隧道或每段隧道都存在差異，因此混凝土襯砌中的雷達(dá)波速也是在一定范圍內(nèi)變化。為了得到較準(zhǔn)確的襯砌厚度數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)前，應(yīng)進(jìn)行雷達(dá)波速標(biāo)定。目前簡(jiǎn)單實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)速度標(biāo)定方法是:在隧道襯砌上作雷達(dá)短測(cè)線獲取襯砌與基巖交界面反射波走時(shí)Δt，然后在測(cè)線上鉆孔穿透襯砌，量得襯砌實(shí)際厚度H，從而得到比較準(zhǔn)確的電磁波傳播速度。

如圖9所示，在橢圓標(biāo)識(shí)內(nèi)，雷達(dá)反射波形顯示襯砌厚度不足(設(shè)計(jì)襯砌厚度50 cm)且背后存在脫空。鉆孔發(fā)現(xiàn)該處襯砌厚度為32 cm，比設(shè)計(jì)厚度薄18 cm(可以推斷出該處電磁波速約為0.1 m/ns)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)襯砌背后存在空洞，有塊石卵石粗骨料填充，松散不密實(shí)，見圖10。

圖9 典型雷達(dá)反射圖像5

圖10 典型雷達(dá)反射圖像5對(duì)應(yīng)破檢照片

4 結(jié)語

1)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)檢測(cè)鐵路隧道中存在的鋼筋保護(hù)層偏厚(偏薄)、鋼筋分布稀疏、未設(shè)置鋼筋等缺陷具有極高的準(zhǔn)確率。但對(duì)于僅設(shè)置單層鋼筋的情況，應(yīng)注意區(qū)分與鋼筋保護(hù)層過厚的雷達(dá)反射圖像的區(qū)別，否則容易引起誤判。

2)當(dāng)襯砌為素混凝土?xí)r，地質(zhì)雷達(dá)能準(zhǔn)確判定初支鋼架分布稀疏或未設(shè)置鋼架等缺陷。當(dāng)襯砌為鋼筋混凝土?xí)r，雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到襯砌鋼筋時(shí)能量大部分反射回接收天線，對(duì)于初支鋼架反射不夠清晰明顯。

3)地質(zhì)雷達(dá)能較準(zhǔn)確的測(cè)得襯砌厚度，但在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行速度標(biāo)定。

4)地質(zhì)雷達(dá)能比較清晰地反映隧道襯砌或初支背后的密實(shí)情況，但對(duì)于鋼筋混凝土襯砌背后的程度較輕微的脫空或不密實(shí)則較難發(fā)現(xiàn)。

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