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(中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

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提高地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中的準確性研究

海洋

(中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著地質(zhì)雷達技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)成為了一種主流的高效、直觀的隧道襯砌無損檢測手段。為了提高隧道襯砌檢測結(jié)果的準確性，首先系統(tǒng)地論述了影響地質(zhì)雷達檢測的因素，并提出了相應的解決方法；然后運用正演數(shù)值模擬常見隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達響應特征；最后結(jié)合一些隧道檢測的實例，說明這種綜合判斷方法能極大程度地提高地質(zhì)雷達隧道襯砌檢測的準確性。

地質(zhì)雷達；正演模擬；雷達映像；隧道；無損檢測

1　引　言

由于施工過程中的各種原因，隧道內(nèi)常常會出現(xiàn)各種不同程度的缺陷，如初期支護背后空洞，二次襯砌脫空，二次襯砌背后不密實，以及鋼筋間距偏大等等[1]。目前，地質(zhì)雷達法是隧道無損檢測的主要方法，它能夠高效、直觀地判斷常見的隧道襯砌缺陷。由于人員、設備、環(huán)境、雷達數(shù)據(jù)采集、處理及解釋等因素的影響，地質(zhì)雷達隧道襯砌檢測的結(jié)果往往存在一定程度的誤差。

根據(jù)鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標準的要求，在隧道運營之前，對隧道襯砌、仰拱(或鋪底)必須進行質(zhì)量檢測，查明隧道既有病害的規(guī)模，查找隱伏病害、可能造成病害的施工質(zhì)量缺陷以及災害性地質(zhì)病害[1]，以此避免鐵路運營過程中出現(xiàn)不可估計的交通事故。

2　隧道襯砌檢測方法技術(shù)

2.1地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達是工程上常用的一種檢測方法，被廣泛地應用于工程的各個領(lǐng)域之中，如場地勘查、工程質(zhì)量檢測、隧道病害診斷及超前地質(zhì)預報等[2,3]。

地質(zhì)雷達一種是利用高頻電磁波(頻率：106～109Hz或更高)來探測地下介質(zhì)分布的檢測技術(shù)，其基本原理是：將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發(fā)射器發(fā)送至地下，經(jīng)過地下目的體或地層界面反射后返回地面，并被雷達天線接收器接收，通過對接收到的雷達信號進行處理和解釋，從而達到探測目標體的目的[4-8]。

2.2影響因素分析

影響地質(zhì)雷達襯砌檢測準確性的因素包括人員、設備、環(huán)境、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及資料解釋，如圖1所示。其中，影響地質(zhì)雷達檢測結(jié)果的主要原因包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和資料解釋，具體表現(xiàn)為：①采集參數(shù)的選擇；②標記混亂(或缺失)；③處理參數(shù)的選擇；④襯砌缺陷定性判斷；⑤襯砌缺陷定量判斷。

圖1　影響因素分析Fig.1　Analysis of influencing factors

2.3解決方法

2.3.1數(shù)據(jù)采集

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集的主要問題包括采集參數(shù)的選擇以及標記混亂問題。

第一，通過對已知厚度的混凝土結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場測試，標定介電常數(shù)等相關(guān)地質(zhì)雷達采集參數(shù)，多次試驗，確定合理有效的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如時窗、采樣率、濾波和增益等。

第二，在隧道左右邊墻上，每5 m做一個單標記，每50 m做一個雙標記，盡量避免因標記錯位而導致檢測結(jié)果錯位。

2.3.2數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的主要問題表現(xiàn)在處理參數(shù)的選擇。

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的步驟主要有標記疏理、廢道剔除、直達波校正、距離歸一化、濾波(包括垂直濾波和水平濾波)、反褶積等，這些處理方法是常規(guī)地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的流程，如圖2所示。其中，有些處理參數(shù)需要進行多次數(shù)據(jù)分析確定，如濾波、反褶積等。

圖2　地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的流程Fig.2　The process of GPR data processing

2.3.3資料解釋

地質(zhì)雷達資料解釋的主要問題表現(xiàn)在襯砌缺陷的定性判斷和定量判斷。

地質(zhì)雷達資料解釋的原則具體如下：

第一，對初期支護背后空洞、二次襯砌脫空、二次襯砌背后不密實、鋼拱架缺失，以及鋼筋網(wǎng)缺失等襯砌缺陷來說，只需要定性判斷它們是否存在。通常情況下，運用正演數(shù)值模擬隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達響應特征可直接確定檢測結(jié)果。

第二，對鋼拱架間距、鋼筋間距及襯砌厚度等襯砌缺陷來說，不僅需要定性判斷它們是否存在，而且需要定量判斷它們的規(guī)模。故這類問題僅僅采用襯砌缺陷的地質(zhì)雷達響應特征確定檢測結(jié)果是不充分的。此時，還要采用一些特殊的處理方法，如速度分析、偏移等。

3　隧道襯砌缺陷的地電模型及地質(zhì)雷達響應

3.1地質(zhì)雷達數(shù)值模擬

地質(zhì)雷達的數(shù)值模擬是分析問題和研究高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的有效途徑。通過分析各種地下結(jié)構(gòu)模型的正演結(jié)果，加深對雷達反射剖面的認識，積累GPR圖像判別地下結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗，提高解釋精度的準確性[9]。

本文采用了美國勞雷工業(yè)公司的GPRSIM地質(zhì)雷達正演模擬軟件，其核心算法是逐段迭代射線追蹤算法。該算法來源于地震波的射線追蹤算法，其原理是：首先從任意給定的初始射線路徑出發(fā)，利用一個適用于計算任意界面的近似反射點或透射點的一階近似公式，進行逐段迭代求取界面上的反射點或透射點；然后以求出的射線路徑為基礎(chǔ)，按照與上述相同的方法逐段求取下一界面上的反射點或透射點，直到另一端點。當整條射線路徑上的界面反射點或透射點的修正值在某個控制誤差范圍內(nèi)時，則認為射線追蹤過程結(jié)束[10]。利用這種方法可以快速地推算出模型的電磁波走時，進而計算模型空間的電磁波速度分布。

3.2常見隧道襯砌缺陷的地電模型及其地質(zhì)雷達響應特征

隧道襯砌質(zhì)量檢測中往往會遇到一些常見的襯砌缺陷，如初期支護背后空洞、二次襯砌脫空，以及二次襯砌背后不密實等等。為了研究清楚這些缺陷的地質(zhì)雷達響應特征，本文運用GPRSIM軟件做了一些襯砌缺陷模型的正演模擬。

設天線的中心頻率為400 MHz，時窗為50 ns，采樣率為512，模型大小為500 cm×200 cm，單元格長度為0.01 m，模型介質(zhì)的介電常數(shù)、電導率及模型介質(zhì)色標如表1所示。其中，這里所說的介電常數(shù)是指相對介電常數(shù)，即由電通量密度除以電場強度得到的介電常數(shù)與真空中的介電常數(shù)的比值，它是一個沒有量綱的常數(shù)；電導率是指電阻率的倒數(shù)，單位是S/m。

表1　400 MHz天線正演模擬常見隧道襯砌缺陷的相關(guān)模型參數(shù)

初期支護背后空洞的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達響應如圖3所示。其地質(zhì)雷達響應特征是電磁反射波極性與直達波極性相反，剖面上存在同相軸連續(xù)的強反射信號，且其下部還存在雙曲線形強反射信號，曲率半徑的大小取決于空洞規(guī)模。

二次襯砌脫空的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達響應如圖4所示。其地質(zhì)雷達響應特征是電磁反射波極性與直達波極性相反， 剖面上存在同相軸不連續(xù)的強反射信號。

二次襯砌背后不密實的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達響應如圖5所示。其地質(zhì)雷達響應特征是電磁反射波極性與直達波極性相反，剖面上存在不連續(xù)且不規(guī)則的雙曲線形反射信號，曲率半徑和振幅能量取決于二次襯砌背后不密實的程度。

鋼拱架的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達響應如圖6所示。其地質(zhì)雷達響應特征是電磁反射波極性與直達波極性相同，剖面上存在不連續(xù)且較規(guī)則的雙曲線形強反射信號，曲率半徑較大。

初期支護鋼筋網(wǎng)的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達響應如圖7所示。其地質(zhì)雷達響應特征是電磁反射波極性與直達波極性相同，剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號，曲率半徑較小，振幅能量較弱。

圖3　初期支護背后空洞Fig.3　Cavity behind initial support

圖4　二次襯砌脫空Fig.4　Void behind second lining

圖5　二次襯砌背后不密實Fig.5　Imperfect behind second lining

二次襯砌雙排鋼筋網(wǎng)的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達響應如圖8所示。其地質(zhì)雷達響應特征是電磁反射波極性與直達波極性相同，剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號，曲率半徑較小，第一排鋼筋網(wǎng)的反射信號振幅能量較強，而第二排鋼筋網(wǎng)的反射信號振幅能量相對較弱。

根據(jù)上述分析總結(jié)常見隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達響應特征，結(jié)果如表2所示，其典型的地質(zhì)雷達映像如圖9所示。

圖6　鋼拱架Fig.6　Steel arch

圖7　初期支護鋼筋網(wǎng)Fig.7　Steel mesh in initial support

圖8　二次襯砌雙排鋼筋網(wǎng)Fig.8　Double-row steel mesh in second lining

襯砌缺陷地質(zhì)雷達響應特征初期支護背后空洞電磁反射波極性與直達波極性相反,剖面上存在同相軸連續(xù)的強反射信號,且其下部還存在雙曲線形強反射信號,曲率半徑的大小取決于空洞規(guī)模。二次襯砌脫空電磁反射波極性與直達波極性相反,剖面上存在同相軸不連續(xù)的強反射信號。二次襯砌背后不密實電磁反射波極性與直達波極性相反,剖面上存在不連續(xù)且不規(guī)則的雙曲線形反射信號,曲率半徑和振幅能量取決于二次襯砌背后不密實的程度。二次襯砌厚度不足電磁反射波的同相軸錯斷,其振幅能量較強,且不連續(xù),凸起部分與相鄰部分的旅行時差較大。鋼拱架電磁反射波極性與直達波極性相同,剖面上存在不連續(xù)且較規(guī)則的雙曲線形強反射信號,曲率半徑較大。初期支護鋼筋網(wǎng)電磁反射波極性與直達波極性相同,剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號,曲率半徑較小,振幅能量較弱。二次襯砌雙排鋼筋網(wǎng)電磁反射波極性與直達波極性相同,剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號,曲率半徑較小,第一排鋼筋網(wǎng)的反射信號振幅能量較強,而第二排鋼筋網(wǎng)的反射信號振幅能量相對較弱。

圖9　襯砌缺陷的典型地質(zhì)雷達映像Fig.9　Typical GPR image of lining defect

4　實測資料分析

通過對地質(zhì)雷達隧道襯砌檢測的影響因素進行分析，提出了相應的有效解決方案，并結(jié)合正演模擬的常見隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達響應特征，極大程度地提高了地質(zhì)雷達隧道襯砌檢測結(jié)果的準確性。下面就此引出幾個實例來說明這種綜合判定方法的有效性。

4.1數(shù)據(jù)處理提高分辨率的檢測實例

某隧道襯砌檢測的地質(zhì)雷達原始數(shù)據(jù)如圖10所示。選取合理的處理參數(shù)，進行背景去除、水平疊加、垂直濾波、水平濾波及反褶積等數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果如圖11所示。對比數(shù)據(jù)處理前后的效果，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達剖面的分辨率明顯提高了，各種電磁干擾被剔除了，鋼拱架清晰可見，且通過速度分析及偏移處理，可以推測電磁波平均速度為0.128 m/ns，進而可以判斷二次襯砌的厚度。

圖10　數(shù)據(jù)處理前的地質(zhì)雷達映像Fig.10　GPR image before the data processing

圖11　數(shù)據(jù)處理后的地質(zhì)雷達映像Fig.11　GPR image after the data processing

4.2鋼筋間距偏大的檢測實例

蘭新鐵路第二雙線是國內(nèi)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點工程項目，該條鐵路的線路圖如圖12所示。由于大坂山隧道是全線的重點控制性工程，在甘青公司的要求之下，對該隧道進行了襯砌質(zhì)量檢測工作。考慮到各種可能影響檢測結(jié)果的因素，從數(shù)據(jù)采集、處理到資料解釋，整個檢測工作流程均嚴格參照了本文提出的解決方案，因此，檢測工作有效地保證了外業(yè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，為檢測結(jié)果的準確性提供了重要依據(jù)。其中，該隧道右拱腰DK274+975～DK274+990段的地質(zhì)雷達映像剖面如圖13所示。首先，根據(jù)二次襯砌鋼筋網(wǎng)的地質(zhì)雷達響應特征分析，判斷該段二次襯砌存在鋼筋網(wǎng)；其次，通過速度分析及偏移處理，確定了DK274+978.5～DK274+988段的實測平均鋼筋間距為30 cm。由于該段設計鋼筋間距為20 cm，故判斷隧道右拱腰DK274+978.5～DK274+988段的鋼筋間距偏大。經(jīng)打孔驗證，隧道右拱腰DK274+984.6處的實際鋼筋間距為28 cm。

圖12　蘭新鐵路第二雙線的線路Fig.12　Route map of the Lanzhou-Xinjiang railway second double line

4.3二次襯砌脫空的檢測實例

在蘭州鐵路局的要求下，對蘭新既有鐵路甘肅段全線進行隧道病害檢測。在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，檢測工作順利完成。其中，全線中的火燒溝隧道拱頂DK188+809～DK188+827段的地質(zhì)雷達剖面如圖14所示。根據(jù)二次襯砌脫空的地質(zhì)雷達響應特征分析，判斷隧道拱頂DK188+811.5～DK188+826.5段存在明顯的二次襯砌脫空。經(jīng)打孔驗證，隧道拱頂DK188+818及DK188+825處均存在二次襯砌脫空，其脫空厚度約為8 cm。

圖13　大坂山隧道右拱腰DK274+975～DK274+990段的雷達映像剖面Fig.13　DK274+975～DK274+990 radar images section of right haunch in Daban mountain tunnel

圖14　火燒溝隧道拱頂DK188+809～DK188+827段的雷達映像剖面Fig.14　DK188+809～DK188+827 radar images section of top in Huoshao ravine tunnel

5　結(jié)　論

通過上述幾個隧道襯砌檢測的應用實例，得出以下幾點結(jié)論：

1)由于現(xiàn)場環(huán)境干擾、標記混亂、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較差及處理參數(shù)選擇不當?shù)纫蛩?，常常造成地質(zhì)雷達資料解釋困難。若采用本文提供的相關(guān)解決方案，可有效地保證采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)處理的合理性，進而降低檢測結(jié)果的誤判率。

2)運用正演數(shù)值模擬方法，模擬了常見隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達響應特征，為判斷實測資料的地質(zhì)雷達異常提供了有效而直觀的依據(jù)，大大地提高了地質(zhì)雷達隧道襯砌檢測結(jié)果的準確性。

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Study on Improving the Accuracy of GPR in Detection of Tunnel Lining

Hai Yang

(GansuRailwayEngineeringSurveyInstituteLimitedCo.,LanzhouGansu730000,China)

With the development of ground penetrating radar (GPR) technology, it has become a mainstream form of efficient, intuitive means for non-destructive detection of tunnel lining. To improve the accuracy of detection of tunnel lining, this paper firstly discusses the factors affecting geological radar detection, and puts forward appropriate solutions. And then numerical simulation of ground penetrating radar response characteristics of common defects in tunnel lining has been conducted. Finally, some examples of tunnel inspection are combined, which shows this synthetic judgment method can greatly improve the accuracy of geological radar detection of tunnel lining.

GPR; forward simulation; radar images; tunnel; non-destructive testing

1672—7940(2016)04—0553—08

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.025

海洋(1984-)，男，工程師，主要從事地質(zhì)雷達與地震勘探方面的研究。E-mail:hycugwh_2005@163.com

P631.3

A

2015-12-02