■王雪瑞

(福建省高速公路達(dá)通試驗(yàn)檢測有限公司，福州　350000)

地質(zhì)雷達(dá)在隧道無損檢測中的應(yīng)用

■王雪瑞

(福建省高速公路達(dá)通試驗(yàn)檢測有限公司，福州350000)

地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測方法，具有檢測范圍廣、時(shí)間快、效率高的特點(diǎn)。本文以福建某高速公路某隧道為例，通過地質(zhì)雷達(dá)檢測圖像，分析了隧道襯砌在建設(shè)過程中的質(zhì)量病害情況，為今后類似隧道襯砌檢測提供參考。

隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)無損檢測

1　引言

隨著高速公路、鐵路的快速建設(shè)，新建隧道的規(guī)模及數(shù)量越來越大。在隧道施工過程中，由于泵壓，混凝土流動(dòng)性及施工技術(shù)等原因，襯砌結(jié)構(gòu)難免存在一定缺陷。襯砌作為隧道結(jié)構(gòu)的主要受力部位，在修建完成后必須經(jīng)過檢測，確保隧道施工質(zhì)量及運(yùn)營安全。

當(dāng)前的二襯檢測方法包括專家目測、取芯等方法，專家目測方法受主觀影響較大，鉆孔取芯結(jié)果準(zhǔn)確，但對隧道結(jié)構(gòu)破壞較大，且范圍較小，若對隧道襯砌大范圍探測，隧道結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，檢測成本較大。地質(zhì)雷達(dá)檢測作為一種新的檢測方法，不會(huì)對隧道結(jié)構(gòu)造成損壞，檢測范圍廣，檢測時(shí)間快，優(yōu)點(diǎn)十分突出。

2　地質(zhì)雷達(dá)檢測原理

探地雷達(dá)作為工程物探檢測的一項(xiàng)新技術(shù)，具有連續(xù)、無損、高效和高精度等優(yōu)點(diǎn)。探地雷達(dá)由一體化主機(jī)、天線單元及配套軟件等幾部分組成，根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，發(fā)射天線向被測介質(zhì)發(fā)射高頻率寬頻短脈沖電磁波，當(dāng)其遇到不均勻體（界面）時(shí)會(huì)反射一部分電磁波，其反射系數(shù)主要取決于被測介質(zhì)的介電常數(shù)，雷達(dá)主機(jī)通過對此部分的反射波進(jìn)行適時(shí)接收和處理，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)物體的目的（見圖1）。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，因此根據(jù)探地雷達(dá)記錄上的地面反射波與反射波的時(shí)間差ΔT，即可據(jù)下式算出異常的埋藏深度H：

H=V·ΔT/2

式中，H即為目標(biāo)層厚度；

V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，其大小由下式表示：

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為 3× 108m/s；ε為相對介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系數(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［3］：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

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地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越??；中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。

3　現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.1工程概況

福建某隧道位于低山丘陵區(qū)，植被茂密，地勢較緩，自然坡率在15～30°之間，山體起伏較大，相對高差在100～150m之間，多北西向、北東向溝谷，山脊線也多呈北西向、北東向沿伸，山體完整性較差。樟溪嶺隧道覆蓋層主要為殘坡積的含角質(zhì)粉質(zhì)粘土和含粘性土碎石，覆蓋層厚度不均，0.5～19.1m不等，一般在溝谷沖刷處覆蓋層薄，局部可見強(qiáng)—中風(fēng)化基巖出露。下伏基巖主要為元古代的片麻巖，巖質(zhì)硬，片麻理發(fā)育，巖石風(fēng)化較為強(qiáng)烈，具差異風(fēng)化的特點(diǎn)，全—強(qiáng)風(fēng)化厚度較大。

隧道埋深較大，沒有發(fā)育構(gòu)造的段落隧道圍巖一般為Ⅲ級(jí)圍巖，隧道進(jìn)出洞口段均為Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)出洞，在構(gòu)造帶附近，受構(gòu)造影響，隧道圍巖一般屬于Ⅴ級(jí)，在隧道埋深較小，地面有溝谷發(fā)育，巖性接觸帶、構(gòu)造影響帶附近隧道圍巖巖體完整性較差，多為Ⅳ級(jí)圍巖。地下水主要為基巖裂隙水，水質(zhì)較好，水量較缺乏，水文地質(zhì)條件較簡單，隧道開挖后局部會(huì)出現(xiàn)滴水或滲水現(xiàn)象。

隧道襯砌施工完成后，為檢驗(yàn)隧道施工質(zhì)量，受業(yè)主委托，對該隧道噴射混凝土厚度、二襯厚度及襯砌脫空進(jìn)行檢測。本次檢測采用美國GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)（簡稱SIR-3000），采用900MHz屏蔽天線，該天線可以與主機(jī)單元組成控制系統(tǒng)，介電常數(shù)為5時(shí)探測深度約1m。

整個(gè)系統(tǒng)主要由主機(jī)、天線（發(fā)射天線和接收天線一體）、電纜三部分組成，發(fā)射與接收信號(hào)均由通訊電纜傳輸給雷達(dá)主機(jī)，主機(jī)外部主要組件有鍵盤、彩色SVGA顯示屏、連接面板、電池插槽、指示燈，可以在屏幕上實(shí)時(shí)地觀測探測資料或者回放顯示資料。

根據(jù)測試要求，隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻和左右仰拱均進(jìn)行的是全斷面檢測，具體測線位置見圖2示意圖。

3.2數(shù)據(jù)處理及結(jié)果解釋

探測的雷達(dá)圖形以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形或灰度顯示探地雷達(dá)垂直剖面圖。探地雷達(dá)探測資料的解釋包括兩部分內(nèi)容：一為數(shù)據(jù)處理，二為圖像解釋。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時(shí)，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾，也影響實(shí)測數(shù)據(jù)。因此，必須對接收信號(hào)實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善資料的信噪比，為進(jìn)一步解釋提供清晰可變的圖像，識(shí)別現(xiàn)場探測中遇到的有限目標(biāo)體引起的異常現(xiàn)象，對各類圖像進(jìn)行解釋提供依據(jù)。

圖像處理包括消除隨機(jī)噪聲、壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動(dòng)時(shí)變增益或控制增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進(jìn)行濾波處理除去高頻，突出目標(biāo)體，降低背景噪聲和余振影響。

圖像解釋和識(shí)別異常是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過程，一方面基于探地雷達(dá)圖像的正演結(jié)果，另一方面由工程實(shí)踐成果獲得。只有獲得高質(zhì)量的探地雷達(dá)圖像并能正確的判別異常，才能獲得可靠、準(zhǔn)確的探測解釋結(jié)果。

識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。探地雷達(dá)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)，產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。

3.3檢測結(jié)果分析

主要判定特征：

（1）密實(shí)：界面反射信號(hào)幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號(hào)；

（2）回填不密實(shí)：界面反射信號(hào)為強(qiáng)反射，同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，雜亂，一般區(qū)域化分布；

（3）空洞：界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大；

（4）脫空：界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈帶狀長條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號(hào)；

（5）鋼筋網(wǎng)：有規(guī)律的連續(xù)的小月牙形強(qiáng)反射信號(hào)，月牙波幅較窄；

（6）鋼拱架：單個(gè)的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)，月牙波幅較寬；

（7）鋼格柵：連續(xù)的兩個(gè)雙曲線強(qiáng)反射信號(hào)。

根據(jù)以上判定特征，D14及D15區(qū)域界面界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈帶狀長條形分布，三振相明顯，有多次反射信號(hào)，為脫空區(qū)域；D16區(qū)域界面反射信號(hào)為強(qiáng)反射，同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，雜亂，區(qū)域化分布，為回填不密實(shí)區(qū)域；D17區(qū)域界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常為雙曲線波形特征，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，為空洞區(qū)域；

4　結(jié)論

本文通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析了地質(zhì)雷達(dá)在隧道無損檢測中的波形特征，得出如下結(jié)論：

（1）地質(zhì)雷達(dá)作為隧道檢測的手段，具有方便、快捷、無損的特點(diǎn)。

（2）利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道無損檢測時(shí)，當(dāng)需要檢測范圍在1m深度內(nèi)，選用900MHz天線可以較為準(zhǔn)確檢測襯砌回填不密實(shí)、脫空、空洞等質(zhì)量病害。

［1］鄒正明，王曉彤，顏炳杰，等.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2008，4：147-149.

［2］王曉振，吳順川.地質(zhì)雷達(dá)在東山隧道二襯檢測中的應(yīng)用［J］.路基工程，2010，5：167-169.

［3］吳俊，毛海和，應(yīng)松.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道中短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2003，24（增刊）：154-157.