江 波，齊法琳，2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

地質(zhì)雷達(dá)作為一種高分辨率和高準(zhǔn)確率的結(jié)構(gòu)檢測設(shè)備，因其具有快速、簡捷、無損、靈活的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于公路、水利等工程的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中［1-3］。為全面掌握運(yùn)營中的青藏線高原隧道技術(shù)狀態(tài)，并考察地質(zhì)雷達(dá)法在鐵路隧道襯砌檢測中的適應(yīng)性，鐵科院基礎(chǔ)所采用地質(zhì)雷達(dá)法對青藏線格拉段的昆侖山隧道進(jìn)行了檢測［4］，本文對其檢測結(jié)果進(jìn)行分析，以期為高原凍土隧道的養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)。

1 工程概況

昆侖山隧道起訖里程為K968+973.77—K970+659.77，全長1 686 m。該隧道(圖1)處于多年凍土區(qū)，進(jìn)口山坡為陰坡，凍土上限約2.7 m。除進(jìn)口處分布約1.8 m厚的飽冰凍土外，其余為少冰、多冰凍土。出口山坡為陽坡，凍土上限2.1～3.0 m，為少冰、多冰凍土，自地表往下，隨深度的加深地層含冰量逐漸降低，在36 m以下基本無凍結(jié)冰存在，在36 m以上巖層中局部分布薄層裂隙冰。

圖1 昆侖山隧道拉薩端洞口

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測

2.1 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)主要由雷達(dá)主機(jī)和天線組成。雷達(dá)主機(jī)向天線發(fā)出控制信號，然后天線發(fā)出高頻電磁波。電磁波在襯砌和圍巖內(nèi)傳播，遇到襯砌邊界、內(nèi)部裂縫、空洞、圍巖等界面便會(huì)發(fā)生反射，反射電磁波被天線接收后傳回雷達(dá)主機(jī)，雷達(dá)主機(jī)對電磁波信號進(jìn)行全時(shí)程數(shù)字化記錄和存儲。根據(jù)接收到的電磁波波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)可推斷出目標(biāo)物的空間位置、結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài)，從而達(dá)到探測隱蔽目標(biāo)物的目的。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖2。

電磁波在同一介質(zhì)中的傳播速度是不變的，根據(jù)記錄的電磁波雙程旅行時(shí)間t，可按下式算出目標(biāo)物深度H

電磁波反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，反射系數(shù)r的計(jì)算公式為

式中，ε1，ε2為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

式(2)表明:界面上下介質(zhì)相對介電常數(shù)的差異決定了反射系數(shù)的大小，進(jìn)而決定了電磁波反射信號的強(qiáng)弱，即相鄰兩介質(zhì)的相對介電常數(shù)的差異越大，電磁波反射信號越強(qiáng)，反射界面越容易識別，而隧道襯砌背后存在空洞或回填不密實(shí)時(shí)，空隙里含有空氣或水，而空氣、水與混凝土、圍巖的相對介電常數(shù)就存在較大的差異，見表1。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意

表1 不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)

2.2 檢測設(shè)備及其參數(shù)

本次檢測采用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2型地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)，天線選擇600 MHz屏蔽天線，探測深度1.5～2.0 m，測量時(shí)窗40 ns，采樣點(diǎn)數(shù)512，采樣間距1 cm，觸發(fā)方式選擇距離觸發(fā)。

2.3 檢測方法

根據(jù)有關(guān)規(guī)定［5］，隧道襯砌的檢測在拱頂、左右拱腰(距軌面4.0 m高處)和左右邊墻(距軌面1.5 m)布置5道測線，見圖3。通過高空作業(yè)車將操作人員抬升到檢測位置，操作人員將天線貼近隧道襯砌表面，采用距離觸發(fā)模式對襯砌表面進(jìn)行連續(xù)掃描。高空作業(yè)車以3～5 km/h的速度前進(jìn)，一次可以完成對整條隧道拱頂或者拱腰部分襯砌的探測，見圖4。對兩側(cè)邊墻的襯砌檢測只需操作人員在地面上手持天線就可完成。為保證檢測數(shù)據(jù)里程與實(shí)際一致，在天線通過隧道5 m或10 m洞身標(biāo)記時(shí)，里程標(biāo)記觀察人員立即通報(bào)數(shù)據(jù)采集操作員，操作員在數(shù)據(jù)采集儀器上標(biāo)記。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)檢測測線布置示意

圖4 隧道拱頂部位檢測

3 檢測數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理及判識

1)數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)所接收的是來自不同介質(zhì)界面的反射波，其正確解釋取決于合理選擇檢測參數(shù)、數(shù)據(jù)處理方法得當(dāng)、判圖經(jīng)驗(yàn)豐富等因素。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理(標(biāo)記和樁號校正，添加標(biāo)題、標(biāo)識等)和進(jìn)一步的處理分析。通過數(shù)據(jù)處理壓制規(guī)則的和隨機(jī)的干擾信號，突出電磁波速度、振幅和波形等有用的異常信息。本次檢測數(shù)據(jù)處理，采用的是RIS-K2型地質(zhì)雷達(dá)隨機(jī)配備的GRESWIN2、IDSGRED后處理軟件包。

2)圖像判識

依據(jù)界面反射信號的強(qiáng)弱判讀空洞，反射波與直達(dá)波相位的關(guān)系判讀含水界面。在雷達(dá)圖像上，空洞表現(xiàn)為反射振幅較強(qiáng)、同相軸連續(xù)、波形呈弧狀，存在多次反射波等特征;回填不密實(shí)在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為振幅不強(qiáng)、同相軸連續(xù)性差等特征。

3.2 檢測結(jié)果分析

對檢測區(qū)段地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行分析，典型雷達(dá)圖像見圖5、圖6。依據(jù)有關(guān)規(guī)定［6］，對隧道襯砌厚度不足及襯砌背后密實(shí)度等情況進(jìn)行等級評定，各檢測部位襯砌病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2～表4。

圖5 襯砌背后回填不密實(shí)地質(zhì)雷達(dá)圖(K969+862—K969+863段拱頂)

圖6 襯砌背后空洞地質(zhì)雷達(dá)圖(K970+062—K970+063段拱頂)

表2 昆侖山隧道襯砌厚度不足缺陷統(tǒng)計(jì) m

表3 昆侖山隧道襯砌背后空洞缺陷統(tǒng)計(jì) m

表4 昆侖山隧道襯砌背后回填不密實(shí)缺陷統(tǒng)計(jì) m

4 結(jié)論

1)昆侖山隧道的5條測線總長度8 430 m，襯砌厚度不足測線累計(jì)長度3 112 m，占測線總長度的36.92%，其中較嚴(yán)重地段累計(jì)長度27 m，占測線總長度的0.32%，均在拱頂部位。

2)襯砌背后存在空洞測線累計(jì)長度174 m，占測線總長度的2.06%，其中極嚴(yán)重地段累計(jì)長度61 m，占測線總長度的0.72%。

3)襯砌背后回填不密實(shí)測線累計(jì)長度441 m，占測線總長度的5.23%。其中嚴(yán)重地段累計(jì)長度10 m，占測線總長度的0.12%。

4)隧道拱腰以上，尤其是拱頂部位，病害數(shù)量較多，病害等級亦較高，建議對這些部位重點(diǎn)監(jiān)測，對病害極嚴(yán)重區(qū)段要進(jìn)行注漿加固處理。

可見，地質(zhì)雷達(dá)在高原惡劣環(huán)境下也能取得較好的檢測效果，可為客觀評價(jià)高原隧道的安全性能提供可靠依據(jù)。

［1］雷剛，楊林德.公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中電磁波無損檢測方法的應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(增1):5081-5085.

［2］馬利平.地質(zhì)雷達(dá)法在水工隧洞檢測中的應(yīng)用［J］.華北地震科學(xué)，2008(9):50-52.

［3］朱海城.地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在寒冷地區(qū)客運(yùn)專線隧道工程中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2012(6):86-88.

［4］齊法琳，江波.青藏線隧道襯砌狀態(tài)檢測評估［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10223—2004 鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)函［2004］170號 鐵路運(yùn)營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.