李霄凱，童正洪

(1.鐵道部工程管理中心，北京 100844;2.鐵道部安全質(zhì)量監(jiān)督總站京滬監(jiān)督站，北京 100844)

1 高速鐵路隧道監(jiān)督檢測開展情況

京滬高速鐵路隧道工程分布于山東省、安徽省及江蘇省境內(nèi)。地質(zhì)條件復雜多變，隧道圍巖多是強風化破碎巖石，施工難度較高，屬于京滬高速鐵路質(zhì)量控制性工程之一。為確保隧道工程質(zhì)量，指導隧道施工，2008年開始，京滬監(jiān)督站對京滬高速鐵路羅而莊、西渴馬一號等18座隧道，先后進行了3次專項質(zhì)量監(jiān)督檢測，對監(jiān)督檢測中發(fā)現(xiàn)的安全質(zhì)量問題通過監(jiān)督通知書及時通報反饋，提出了相關(guān)整改要求，通過現(xiàn)場整改，確保了工程質(zhì)量。

京滬高速鐵路3次隧道質(zhì)量監(jiān)督檢測，本著安全實用、技術(shù)先進、數(shù)據(jù)準確、評價可靠的檢測技術(shù)要求，均選用地質(zhì)雷達無損檢測法。結(jié)合貴廣、大西、山西中南部通道等多條客運專線項目隧道監(jiān)督檢測情況及對照分析數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達法比傳統(tǒng)的隧道檢測方法(如鉆探取芯、開挖取樣等)，具有掃描速度快、操作簡便、質(zhì)量輕、分辨率高、圖像直觀等優(yōu)點，因此在高速鐵路隧道工程檢測中得到廣泛應用。

2 隧道檢測主要內(nèi)容

2.1 高鐵隧道結(jié)構(gòu)檢測的重點和常見質(zhì)量缺陷

高速鐵路隧道工程對二次襯砌的質(zhì)量提出了較以往更高的要求，要求隧道防水等級必須達到一級防水等級，即二次襯砌結(jié)構(gòu)不允許滲水，二次襯砌結(jié)構(gòu)表面無濕漬。新高鐵隧道驗收標準要求:隧道襯砌的厚度嚴禁小于設計厚度，二襯混凝土與防水板之間應密貼無空洞。對于使用新奧法施工的高鐵隧道來說，常見的結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷是隧道襯砌厚度不足、混凝土不密實和襯砌內(nèi)存在空洞、襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖脫空、混凝土蜂窩或嚴重離析等。另外，在施工過程中由于對超欠挖控制不良造成較大的超挖而回填不密實，導致在襯砌建設期間及竣工后圍巖掉塊崩落在襯砌之上，或襯砌受力不均勻而開裂等質(zhì)量問題。以上質(zhì)量問題的產(chǎn)生使得高鐵隧道襯砌在經(jīng)受溫度變化、地下水靜水壓力以及脫空區(qū)掉塊荷載時，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，并可能影響隧道的正常運營及使用年限。從以往己建成的鐵路隧道發(fā)生的事故來看，襯砌厚度不足和背后空洞的存在，是造成事故的主要原因。

襯砌是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，如果襯砌厚度不足，會造成結(jié)構(gòu)中存在薄弱截面，導致隧道結(jié)構(gòu)的承載力降低;其次是局部的襯砌厚度不足，使得薄弱截面處截面慣性矩、剛度變化，導致結(jié)構(gòu)整體受力的變化，對高速鐵路隧道的長期穩(wěn)定以及使用功能的正常發(fā)揮都有很大的影響，嚴重者可能帶來災難性的安全事故。同時，隧道結(jié)構(gòu)中襯砌混凝土與圍巖之間存在的空洞對隧道的承載特性有著不可忽略的影響，它會促進圍巖的松弛，使襯砌產(chǎn)生彎曲應力，而損傷襯砌的功能，降低其承載力。研究表明:(1)同樣厚度的襯砌背后有空洞，其承載力在同樣位移的條件下，有空洞的襯砌的承載力不足無空洞者的1/3。(2)拱部厚度不同時，其承載力的變化是很大的。在同樣位移條件下，如滿足設計厚度的承載力為1，則襯砌厚度為設計厚度的3/4時，其承載力為0.4，襯砌厚度為設計厚度1/2時，其承載力僅為0.1。(3)背后空洞范圍越大，最終初期支護和二次襯砌的承載力也降低。(4)襯砌背后空洞時，若用硬質(zhì)材料回填時的承載力為1，用軟質(zhì)材料回填時的承載力為0.8，而不回填的僅為0.1左右。由此可見，襯砌厚度不足和背后空洞等缺陷，對高鐵隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量有著極大的危害性。因此，有必要對高鐵隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷進行檢測。地質(zhì)雷達法不僅能夠檢測到襯砌厚度不足和背后空洞2種主要質(zhì)量缺陷，而且還可以檢測鋼架、鋼筋間距過大、數(shù)量不足和保護層厚度不足等質(zhì)量缺陷。它是目前隧道結(jié)構(gòu)進行質(zhì)量無損檢測的主要方法。

2.2 地質(zhì)雷達監(jiān)督檢測主要內(nèi)容

高速鐵路隧道初期支護檢測包括初期支護厚度、鋼拱架數(shù)量、支護背后空洞及回填情況。隧道施工過程中，時常發(fā)生超挖，對超挖部分必須進行回填處理，如果處理不當，將為隧道埋下嚴重的隱患。通過地質(zhì)雷達進行掃描，可及時發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，盡早進行補救，避免埋下隱患。

二次襯砌檢測主要包括襯砌厚度、襯砌背后脫空、襯砌中鋼筋有無缺失。新驗標要求，鋼筋混凝土保護層厚度不應小于3 cm(設計未注明時)。隧道施工過程中，由于工藝特點及其他因素影響，容易造成二次襯砌與初期支護之間的脫空，特別是在隧道拱頂?shù)炔课唬瑧髦攸c探測。

3 地質(zhì)雷達檢測原理

3.1 雷達檢測原理

地質(zhì)雷達法檢測是利用超高頻電磁波探測介質(zhì)電性分布的一種地球物理方法。雷達工作時，向地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁脈沖;高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，在介質(zhì)表面通過發(fā)射天線將信號傳入介質(zhì)內(nèi)部，電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時即產(chǎn)生反射或散射，其路徑、波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化;經(jīng)媒質(zhì)界面或目標體反射后返回地面，由接收天線接收，地質(zhì)雷達接收并記錄這些信號，由深度公式

計算求出反射界面的深度即襯砌厚度。式中，C為電磁波在空氣中的傳播速度，Dt為電磁波在襯砌介質(zhì)中的雙程旅行時間，εr為混凝土的相對介電常數(shù)。

如果交界處貼合不好，或存在空隙，亦會導致雷達剖面相位和幅度發(fā)生變化，由此可確定襯砌厚度和發(fā)現(xiàn)施工缺陷。電磁波遇到襯砌中的鋼筋，會出現(xiàn)全反射，接收到的能量非常強，在雷達剖面上顯示強異常，以此可確定鋼筋分布情況。通過進一步的信號處理，通過對電磁波反射信號的相位、頻率及振幅進行分析處理，從而可以推斷被測目標體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和分布形態(tài)。

地質(zhì)雷達工作原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達工作原理示意

3.2 地球物理特性

探地雷達是通過脈沖電磁波在地下介質(zhì)中的透射、散射和反射所攜帶的地下介質(zhì)介電參數(shù)信息來判斷地下目標的分布與存在。常用介質(zhì)的介電參數(shù)如表1所示。

表1 介質(zhì)介電參數(shù)

由表1可見，雷達波反射信號強弱取決于分界面兩側(cè)介電參數(shù)的差異。這些介電常數(shù)的變化，給地質(zhì)雷達探測提供了基本條件。

4 地質(zhì)雷達檢測主要技術(shù)要求

4.1 現(xiàn)場檢測主要技術(shù)控制

(1)天線頻率的選擇

高速鐵路隧道襯砌檢測采用屏蔽天線，頻率高的天線發(fā)射雷達波主頻高、分辨率高、能量衰減較快、探測深度較淺;頻率低的天線發(fā)射雷達波主頻低、分辨率低、能量衰減較慢、探測的深度較深。根據(jù)隧道襯砌混凝土厚度及檢測要求合理地選擇天線頻率。檢測深度與天線頻率選擇見表2。

表2 檢測深度與天線頻率選擇對照

(2)里程標識控制

為了保證地質(zhì)雷達圖像剖面各測點的位置與實際檢測里程的位置相對應。隧道邊墻上每2 m作1個單線標記，每10 m作1個雙線標記，標注里程以供核對。地質(zhì)雷達檢測里程標識如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達檢測里程標識示意(單位:m)

(3)雷達波速的標定

雷達波速是計算襯砌厚度的重要參數(shù)。因施工及用料情況不同，混凝土襯砌或噴射混凝土的雷達波速有一定的變化范圍。為了保證檢測的精度，需對現(xiàn)場的雷達波速進行標定。常用的標定方法有:在已知厚度部位或材料與隧道相同的其他預制件上測量;在洞口或洞內(nèi)避車處使用雙天線直達法測量;鉆孔實測。

4.2 雷達信號處理

雷達波接收采用高頻寬頻帶進行數(shù)據(jù)記錄，期望接收更多的反射波特征。因此，接收到的雷達波信號在記錄各種有效波的同時，也不可避免地記錄了各種干擾波，使得記錄圖形不能清晰反映目標體。由于地下介質(zhì)相當于一個復雜的濾波器，接收天線接收到的電磁脈沖，波幅衰減，波形與原始反射波有差異。因此，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)須進行適當?shù)臄?shù)字信號處理，為進一步解釋分析提供清晰的雷達圖像。雷達波形信號處理需要采取以下步驟。

(1)數(shù)據(jù)預處理。主要包括廢道切除、數(shù)據(jù)歸一化、零線設定和去直流漂移。

(2)增益控制。采用時間-增益控制調(diào)節(jié)來補償由于擴散和衰減的振幅損失，目的是對深部信號放大，以清晰探測深部缺陷。

(3)濾波處理。包括背景去噪、平滑濾波、一維和二維濾波和小波變換等濾波方法的應用。

4.3 圖像解讀

由于各種巖土工程介質(zhì)之間的電磁學特性的差異，對隧道混凝土襯砌、圍巖和鋼筋等不同目標體的雷達波波形特征進行總結(jié)，地質(zhì)雷達法評定標準如表3所示。

表3 地質(zhì)雷達法評定標準

地質(zhì)雷達檢測圖像判釋流程主要步驟如下。

(1)層位追蹤。查看雷達反射波同相軸是否有異常，如同相軸大致水平，則確定初襯或二襯反射層位置。

(2)雷達異常判釋。對于異常波形圖，首先應排除假異常信號，對于可壓制干擾波應該先經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)處理后再判釋。雷達剖面圖像中鋼筋表現(xiàn)為同相軸連續(xù)峰狀、高亮，容易識別，在探測鋼筋混凝土襯砌時，由于前排鋼筋對雷達波的強烈反射和對后排鋼筋的屏蔽，鋼筋背后的目標體應采用衰減補償增益，以確定后排目標體的情況。

(3)分析其他異常體波形特征，以確定其他缺陷。位于鋼筋附近的其他缺陷應高度重視，必要時可開孔驗證。

(4)參照提供設計資料文件，確定襯砌厚度、襯砌鋼筋分布數(shù)量和位置、襯砌背后空洞或脫空位置和不密實區(qū)域。

(5)圖像判釋完畢后，根據(jù)缺陷類型提出解決方案。

5 地質(zhì)雷達檢測誤差分析

地質(zhì)雷達檢測的精確度能否達到規(guī)定要求，是地質(zhì)雷達監(jiān)督檢測的關(guān)鍵問題。地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中存在誤差是不可避免的，分析誤差來源對減少誤差十分必要。從誤差來源看，在進行隧道質(zhì)量檢測時，影響檢測結(jié)果的因素除了儀器本身的系統(tǒng)誤差，儀器參數(shù)設置誤差、襯砌表面的平整度及障礙物情況、天線與襯砌表面的接觸效果等原因外，還有襯砌厚度計算誤差、空洞的定位誤差、表層鋼筋多次反射的影響、里程定位誤差。

5.1 電波速度誤差

由于襯砌混凝土的強度等級不等，以及骨料的級配、成分不同，使得雷達波在襯砌混凝土中的傳播速度不確定。通常雷達波在傳播速度為11～13 cm/ns。分析可知:雷達波正反程時間誤差0.5 ns，可導致2～3 cm的襯砌厚度檢測誤差。

5.2 空洞的定位誤差

地質(zhì)雷達隧道檢測采用6～7條檢線(拱頂1條、拱腰2條、邊墻2條、仰拱1～2條)進行剖面檢測。僅僅根據(jù)某條測線很難精確確定空洞的位置和大小，在空洞位置處正交補測1條或多條短測線進行剖面立體分析，精確確定空洞的平面位置和規(guī)模。

5.3 鋼筋混凝土襯砌雙層鋼筋的影響

由于探地雷達使用的是高頻電磁波，而高頻電磁波具有準光學特性，即當它遇到金屬時，發(fā)生全反射，部分能量被接收天線所接收，部分又被反射到鋼筋處，從而形成了電磁波在天線和鋼筋之間的多次反射。在時間深度剖面圖上，這直接影響對鋼筋背后缺陷的判斷，而按照現(xiàn)有的濾波方法，這種影響無法消除。

5.4 里程定位誤差

隧道檢測時，里程標識的記錄間距一般為2 m。誤差主要來源于里程標識的精度和檢測車速度的不均勻。由于里程標識之間的里程位置是內(nèi)插得出的，如果檢測車運行速度不均勻，則內(nèi)插的里程范圍約為0.2 m。因此，檢測過程中，應控制好檢測車速度，保持勻速運行，以減小里程內(nèi)插誤差。

6 典型雷達圖像實例分析

圖3是高鐵隧道地質(zhì)雷達無損檢測標準圖像。雷達反射波到達二襯和初襯界面以及初襯噴射層和圍巖膠結(jié)面界面時，會形成反射波。由圖3可知，圖像顯示混凝土密實，鋼筋排列均勻緊湊，圍巖巖質(zhì)密實，沒有出現(xiàn)裂隙或孔洞。圖4～圖6為襯砌檢測有問題的圖像。

圖3 襯砌混凝土密實，鋼筋排列均勻緊湊

圖4 鋼筋排列不均勻、間距過大、稀疏

圖5 混凝土襯砌背后不密實，襯砌界面反射信號強且不連續(xù)

圖6 二襯底部脫空，雷達信號在脫空部位發(fā)生強烈繞射

7 結(jié)論及建議

在充分處理好地質(zhì)雷達在隧道檢測中的技術(shù)問題后，將會使地質(zhì)雷達在高速鐵路隧道監(jiān)督檢測中得到更高層次的發(fā)展，以滿足高速鐵路隧道監(jiān)督檢測的需要，使地質(zhì)雷達成為高速鐵路隧道檢查不可缺少的檢測方法。如果與鉆芯法等其他檢測方法配合使用，地質(zhì)雷達在隧道檢測中將會取得更好的效果，同時，也可以進一步發(fā)揮該技術(shù)的科技優(yōu)勢。

目前，地質(zhì)雷達隧道監(jiān)督檢測，一方面應進一步研究地質(zhì)雷達數(shù)字信號的處理方法，致力于從地質(zhì)雷達的信號及時間深度剖面圖中提取更多的有用信息;另一方面進一步研究地質(zhì)雷達的數(shù)值模擬模型，加深對地質(zhì)雷達反射剖面的認識，提高解釋精度，為地質(zhì)雷達的反演提供依據(jù)。

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