曾 宏

（廣西水利科學研究院，南寧 530023）

地質(zhì)雷達在隧洞襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

曾 宏

（廣西水利科學研究院，南寧 530023）

簡述地質(zhì)雷達在隧洞襯砌質(zhì)量檢測中的原理及方法，結(jié)合工程實例將地質(zhì)雷達與鉆芯驗證相結(jié)合，對隧洞襯砌厚度、鋼筋分布檢測結(jié)果進行對比分析，并將成果應(yīng)用于多座水庫隧洞襯砌的質(zhì)量檢測，結(jié)果表明：地質(zhì)雷達對隧洞混凝土鋼筋分布、混凝土厚度及襯砌情況探測效果較好。

地質(zhì)雷達；襯砌質(zhì)量檢測；隧洞

近年來，廣西水利廳組織開展了小型水庫放水隧洞專項稽查檢測，發(fā)現(xiàn)部分隧洞施工過程中，未嚴格按照設(shè)計要求施工，存在較大的安全隱患，部分水庫甚至還發(fā)生過險情。因此，如何對已建的水工隧洞進行有效的質(zhì)量檢測，及時探測潛在質(zhì)量隱患，對于水庫安全運行具有重要的意義。地質(zhì)雷達探測法具有高效、無損、檢測全面等優(yōu)點，能快速、全面探查出整個隧洞襯砌中鋼筋的分布、襯砌厚度、回填灌漿質(zhì)量等，在隧洞襯砌質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 地質(zhì)雷達探測隧洞襯砌的應(yīng)用

1.1 地質(zhì)雷達探測原理

地質(zhì)雷達法是一種基于電磁波反射原理的無損檢測方法。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形體而變化[1]。因此，根據(jù)接收天線接收到的電磁波的傳播時間（雙層走時）、幅度、相位等波形資料可以推斷被探測目標體的空間位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

在應(yīng)用地質(zhì)雷達進行隧洞襯砌質(zhì)量檢測時，將地質(zhì)雷達的發(fā)射和接收天線置于隧洞襯砌表面，雷達電磁波在傳播過程中遇到混凝土、鋼筋、一次襯砌與二次襯砌分界面、混凝土與洞周巖土體的分界面、襯砌回填灌漿體等不同介質(zhì)時，會產(chǎn)生不同的電磁波反射特征，通過分析電磁波在上述介質(zhì)中的波形傳播特征，可以準確測量出襯砌厚度和鋼筋間距，了解襯砌的脫空、空洞及回填灌漿密實情況等。

1.2 地質(zhì)雷達探測結(jié)果解譯

1.2.1 襯砌混凝土厚度的雷達圖像解譯

利用地質(zhì)雷達測量混凝土襯砌厚度關(guān)鍵在于準確識別混凝土與圍巖的分界面。一般來說，混凝土襯砌與圍巖的介電常數(shù)存在一定差異，電磁波在襯砌與圍巖的分界面上形成較為連續(xù)的、同相的反射波組[2-5]。當襯砌與圍巖結(jié)合不緊密，襯砌后面存在松散巖土體時，電磁波在界面處發(fā)生折射與反射，電磁波能量衰減嚴重，接觸面較易判斷。如果襯砌混凝土與圍巖的介電常數(shù)相差較小，同時襯砌與圍巖緊密接觸，接觸面上的雷達反射信號不明顯，有時很難判別。此時，為了保證襯砌厚度檢測的精度和可靠性，在檢測隧洞襯砌混凝土厚度時，應(yīng)在襯砌表面布設(shè)鉆孔取樣，將鉆孔實測結(jié)果與雷達探測結(jié)果對比分析，及時修正雷達探測參數(shù)。

1.2.2 襯砌混凝土中鋼筋的雷達圖像特征

混凝土的相對介電常數(shù)大約為6-11，電磁波速約為0.08～0.12m/ns。鋼筋為良好的電磁導體，其相對介電常數(shù)很大，遠遠大于混凝土，兩者電性差異很大，因此鋼筋的雷達反射信號異常明顯，其雷達圖像為電磁波反射形成連續(xù)的小雙曲線，很容易識別。在雷達剖面圖上，取雙曲線頂點第一反相點為鋼筋位置點。因此，根據(jù)鋼筋的地質(zhì)雷達圖像特征，使用地質(zhì)雷達能較好地探測出襯砌混凝土中的鋼筋分布、鋼筋間距、保護層厚度。

1.3 應(yīng)用實例

1.3.1 工程概況

六力（二）水庫位于平果縣鳳梧鄉(xiāng)龍林村，水庫壩址以上集雨面積2.5km2，總庫容270萬m3，是一座以灌溉為主、兼顧防洪的小（1）型水庫。放水隧洞混凝土襯砌設(shè)計厚度為25cm，雙層鋼筋布置，設(shè)計受力鋼筋直徑為14mm，鋼筋間距20cm，保護層厚度為4cm；設(shè)計分布鋼筋直徑為10mm，鋼筋間距25cm。

1.3.2 探測測線布置及儀器率定

探測前先布置好測線，沿隧洞襯砌軸線布設(shè)水平測線，測量受力鋼筋分布。沿隧洞環(huán)向布設(shè)環(huán)向測線，測量分布鋼筋。布置測線時盡量避開可能對探測有影響的物體（襯砌表面的鐵釘、鋼絲、凹坑等），并用粉筆在襯砌上畫好平直的測線，標記樁號。

地質(zhì)雷達探測前應(yīng)對襯砌混凝土的介電常數(shù)或電磁波速做現(xiàn)場率定，當隧洞襯砌混凝土含水率變化較大或混凝土強度等級相差較大時，應(yīng)在不同區(qū)域分別選擇標定點。電磁波速率定時，在襯砌混凝土已知厚度部位用雷達進行測量。同時鉆孔取樣并測量實際厚度值，將實測厚度值與雷達探測解譯值進行對比，并調(diào)整雷達中混凝土的介電常數(shù)值。

1.3.3 隧洞襯砌混凝土鋼筋位置探測

采用加拿大EKKO系列探地雷達系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了多種頻率的天線，本次探測選用1 000 MHz的天線，測點間距為0.01m，時窗為20 ns，采樣間隔為0.1 ns，控制方式為測距輪觸發(fā)控制。探測時，應(yīng)確保探測天線與襯砌表面緊貼，測距輪能正常轉(zhuǎn)動，緩慢移動天線，每完成一個測段，及時記錄測段編號、樁號、描述探測部位表面干濕情況，在需要驗證的部位做好標記。

將獲取的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)進行一系列的數(shù)據(jù)處理分析，探測結(jié)果表明：隧洞襯砌雷達探測剖面上鋼筋反射信號明顯，反射信號的振幅較大，反射波呈連續(xù)的小雙曲線形狀。圖1為隧洞襯砌混凝土鋼筋探測雷達圖像，圖1中鋼筋的反射波呈小雙曲線，鋼筋位于曲線拱頂處，通過數(shù)據(jù)處理軟件的標尺可以準確量測鋼筋的間距，圖1中鋼筋間距約為20cm，鋼筋保護層厚度為9～10cm。為驗證雷達探測的精度和有效性，選擇了1個探測部位進行鉆芯，實測鋼筋保護層厚度為10cm，鉆芯量測結(jié)果見圖2，鉆芯量測結(jié)果與雷達探測結(jié)果基本一致。

1.3.4 隧洞襯砌混凝土厚度及襯砌探測

采用加拿大EKKO系列探地雷達對隧洞進行快速掃描，可檢測隧洞襯砌混凝土厚度及襯砌脫空、空洞情況，圖3為隧洞襯砌左邊墻雷達探測圖像，探測范圍距離洞口0～63m，雷達探測圖像表明隧洞襯砌厚度偏差起伏不大，混凝土與圍巖的分界面較清晰，大部分厚度值在22～26cm之間，平均厚度值約25cm，與設(shè)計厚度值基本一致?；炷烈r砌后未見有空洞形成的強反射信號，未見有襯砌與圍巖的脫空。

圖1 地質(zhì)雷達探測鋼筋保護層厚度

圖2 鉆芯實測鋼筋保護層厚度

圖3 隧洞襯砌厚度雷達剖面圖

1.4 應(yīng)用效果檢驗

為驗證該技術(shù)的應(yīng)用效果，又分別在洞龍水庫、化屯水庫上應(yīng)用。

洞龍水庫位于天等縣龍茗鎮(zhèn)西北村，總庫容61.2萬m3，是一座小（2）型水庫。放水隧洞混凝土襯砌設(shè)計厚度為25cm，雙層鋼筋布置，設(shè)計受力鋼筋直徑為14mm，設(shè)計分布鋼筋直徑為12mm，鋼筋間距20cm。圖4為隧洞右側(cè)壁樁號0+075.0～0+073.2探測圖像，受力鋼筋間距平均值為21.5cm，探測未見雙層鋼筋布置，襯砌厚度為25.0～26.5cm，鉆孔取芯混凝土厚度值為26cm，鉆孔也未見雙層鋼筋。

圖4 洞龍水庫隧洞右側(cè)壁探測結(jié)果圖

化屯水庫位于馬山縣林圩鎮(zhèn)黃番村，總庫容33.7萬m3，是一座?。?）型水庫。放水隧洞混凝土襯砌設(shè)計厚度為25cm，雙層鋼筋布置，鋼筋間距20cm。圖5為隧洞左側(cè)壁樁號0+045～0+047探測圖像，受力鋼筋間距平均值為21.5～22.0cm，探測見雙層鋼筋布置，襯砌厚度約為24.8～26.4cm，鉆孔取芯混凝土厚度值為25.2cm，鉆孔見雙層鋼筋。

通過3座水庫的應(yīng)用結(jié)果表明：加拿大EKKO系列探地雷達對隧洞混凝土鋼筋分布、混凝土厚度及襯砌情況探測效果較好。

圖5 化屯水庫隧洞左側(cè)壁探測結(jié)果圖

1.5 存在的問題和難點

地質(zhì)雷達能快速有效地探測隧洞襯砌混凝土中首層鋼筋分布，對襯砌中多層鋼筋的分布，由于表層鋼筋對底層鋼筋電磁波反射信號的屏蔽和干擾，難以確定底層鋼筋的分布。當襯砌混凝土中有多層鋼筋分布時，襯砌混凝土首層鋼筋的雷達信號反射非常明顯，雷達圖上可見清晰的雙曲線反射信號。雷達電磁波經(jīng)過首層鋼筋的反射和折射后，能量衰減比較嚴重，電磁波的入射角度發(fā)生了較大變化。部分電磁波經(jīng)表層鋼筋間的空隙繼續(xù)向下傳播，當這部分電磁波遇到底層鋼筋，產(chǎn)生反射和折射，向上反射的電磁波在回程中又與首層鋼筋發(fā)生各種折射與反射，造成底層鋼筋的電磁波反射信號衰減嚴重，雷達接收天線接收到的底層鋼筋反射信號很弱，難以判斷是否是底層鋼筋的反射信號（見圖6）。從圖6融水縣新塘水庫隧洞襯砌中左側(cè)壁樁號0+015～0+016.7雙層鋼筋（直徑為14mm）的雷達反射圖像看，其底層鋼筋雷達信號反射較弱，難以確定底層鋼筋的間距。

圖6 新塘水庫隧洞左側(cè)壁探測結(jié)果圖

使用地質(zhì)雷達探測隧洞襯砌混凝土厚度時，襯砌與圍巖的介電常數(shù)差異及結(jié)合情況直接影響成果解譯的精度和可靠性。當襯砌混凝土與圍巖的介電常數(shù)差別很小、又緊密結(jié)合時，單獨依靠地質(zhì)雷達較難準確量測襯砌混凝土的厚度，需要結(jié)合鉆芯取樣，來進一步驗證探測結(jié)果的解譯是否合理。

2 結(jié)語

通過對廣西區(qū)內(nèi)多座水庫隧洞襯砌的質(zhì)量檢測，可知，使用地質(zhì)雷達檢測隧洞襯砌質(zhì)量具有操作簡便、探測效率高、探測結(jié)果可視化等特點，能夠全面準確地探測出隧洞襯砌混凝土鋼筋分布、襯砌混凝土厚度及襯砌與圍巖的脫空等，是隧洞襯砌質(zhì)量檢測的一種有效手段。

[1] 李大心.探地雷達方法與運用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2] 張頂立，張素磊，房 倩，等.鐵路運營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析[J].巖石力學與工程學報，2012，32（2）：217-224.

[3] 吳德勝，孫宗龍.地質(zhì)雷達在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].地球物理科學進展，2009，6（06）：778-782.

[4] 馬 亮，魏光輝，楊顯文，等.地質(zhì)雷達在引水隧洞襯砌與灌漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].勘查科學技術(shù)，2012，（01）：59-61

[5] 謝昭暉.地下不同目標體的探地雷達圖像特征研究[J].工程地球物理學報，2005，2（1）：9-11.

（責任編輯：周 群）

Application of geological radar in tunnel lining quality examination

ZENG Hong
（Guangxi Hydraulic Research Institute,Nanning 530023,China）

A brief introduction was made on the principle and method of applying geological radar in tunnel lining quality examination.For an actual project,geological radar was used to examine the tunnel lining thickness and reinforcing steel distribution,and the examination results were checked by core drill.The achievements of comparison and analysis were applied in tunnel lining quality examination of multiple reservoir projects.The results of application demonstrate that geological radar renders good effects for examination of tunnel reinforcing bar distribution,concrete thickness and lining quality.

Geological radar;lining quality examination;tunnel

P631.325；TV523

B

1003-1510（2016）04-0034-03

2016-00-00

曾 宏（1983-），男，湖南永州人，廣西水利科學研究院工程師，碩士，主要從事巖土工程質(zhì)量檢測工作。