白 凡車光樸

（1.山西省水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站 山西太原 030002；2.天津潤泰工程監(jiān)理有限公司 天津 300202）

0 引言

水工隧洞是水利樞紐中的重要組成部分之一，主要包括引水隧洞和泄水隧洞兩大類。對于地質(zhì)條件較差的洞段，水工隧洞常用錨噴支護作為初支，鋼筋混凝土作為永久性襯砌，以確保隧洞施工期和運行期的安全。

隧洞襯砌質(zhì)量在施工過程中的影響因素很多，可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題包括襯砌厚度不足、脫空、不密實等，更有甚者，因參建各方質(zhì)量管理把控不嚴、施工隊社會責任感和道德觀念不強，施工過程中存在偷工減料的惡性行為，為及時發(fā)現(xiàn)和預防此類問題的發(fā)生，需使用一種高效快捷、覆蓋面廣的方法來檢測。傳統(tǒng)的檢測手段所進行的目測、鉆孔取芯和非金屬超聲波等方法已不能滿足實際工程的需要。作為一種新型的地球物理勘察技術(shù)，地質(zhì)雷達以其精度高、效率高、無損性、抗干擾能力強、靈活方便等特點在如今的隧洞工程質(zhì)量檢測中得到了普遍的認可和較為廣泛的應用。

1 檢測原理[1]

地質(zhì)雷達是利用電磁波探測目的體和地質(zhì)現(xiàn)象的一種無損檢測設(shè)備，通過發(fā)射天線（T）將高頻電磁波（主頻為10～1 000 MHz）以脈沖信號的形式入射到被測物體，當電磁波遇到物理性質(zhì)不同的兩種物體界面時發(fā)生反射，反射回的信號由接收天線（R）接收（圖1），電磁波往返行程走時t值為

當被測物體中的波速v已知。則根據(jù)上式代入t值（單位通常為ns，1ns=10-9s）即可推出目的體距被測物體表面的深度值（m）。式中x值（m）為發(fā)射天線與接收天線的間距，由于兩者通常會被集成于同一保護殼內(nèi)，因此x值是固定且已知的；v值（m/ns）可用寬角擬合的方式求出，當被測物體的導電率很低時，可根據(jù)公式近似求出v值，其中ε表示被測物體的相對介電常數(shù)值（現(xiàn)場測定），c表示光速（c=0.3 m/ns）。地質(zhì)雷達主要應用于地質(zhì)勘探、公路道路、隧洞襯砌等方面的檢測，被測物體（巖石、普通混凝土、瀝青混凝土等）的導電率普遍很低，因此一般可根據(jù)近似式結(jié)合雷達主機記錄的電磁波雙程走時，直接求得目的體的深度z值：

圖1 電磁波反射探測原理[1]

雷達圖像的記錄形式為脈沖反射波的波形，由一道道緊密相鄰的單道波組成。每一道單道波的正負波峰分別反映為黑白色（或者白黑色、彩色）。因此連續(xù)單道波的同相軸即可呈現(xiàn)出目的體的反射界面。雷達圖像上各測點的波形均以垂直于物體表面的方向記錄，形成目的體的剖面（圖2），再通過濾波降噪、信號疊加、圖像合成等數(shù)據(jù)處理手段，形成被測物體的掃描圖像（圖3）。由于二次反射波信號衰減嚴重且受初次反射波信號繞射干擾較大，因此目的體下表面的反射信號難于接收及識別，從圖像中我們通常只能觀察到目的體的上表面，且圖像中反映的目的體較實際尺寸偏大。

介質(zhì)間的電性差異越大，反射回的電磁波能量也越強，則雷達圖像中對應的目的體的表征也越清晰，如混凝土與鋼筋、混凝土與空氣、混凝土與水等均有很強烈的反射，因此，通過對雷達圖像的判讀，便可得到目的體的分布位置和狀態(tài)。

圖2 波形記錄示意圖[1]

圖3 處理后的雷達圖像

2 工作方法

根據(jù)《水利水電工程物探規(guī)程》（SL326-2005）規(guī)定，雷達測線采用縱向布置的方式，分別在隧洞的拱頂、左右拱腰、左右邊墻、底板各布設(shè)一條測線（圖4）。檢測時，天線工作面需與襯砌表面緊密貼合并勻速滑動，同時雷達主機發(fā)射連續(xù)脈沖電磁波進行掃描。掃描隧洞拱部時需制作專用工作臺架，便于檢測人員將天線舉起以密貼襯砌。同時，為保持工效和滿足分辨率的要求，天線沿測線以5km/h左右的速度滑動為宜。

圖4 地質(zhì)雷達測線布置示意圖

在水工隧洞檢測中使用頻率較高并得到普遍認可的工作臺架包括以下幾類：1）移動式腳手架（圖5）；2）汽車上搭載固定式平臺（圖6）；3）汽車上搭載升降式平臺（圖7）；4）裝載機鏟斗上固定臺架（圖8）。

3 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)要通過處理軟件進行一系列處理過程，才能形成便于我們分析與識別的圖像。首先，要對圖像中所做標記進行校正并賦予其里程樁號，使其與現(xiàn)場所標樁號一一對應，必要時需進行數(shù)據(jù)的剪切、拼接、距離歸一化等處理；其次，進行零點校正、去直流漂移、濾波、增益調(diào)節(jié)等處理，使其達到較理想的可分析狀態(tài)；對處理后的數(shù)據(jù)進行分析判斷，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范和設(shè)計要求識別出存在的質(zhì)量缺陷，必要時進行截圖；將數(shù)據(jù)進行分段歸檔，根據(jù)工作需要確定分段長度，如每100 m的檢測數(shù)據(jù)作為一個工程文件進行存檔，該工程文件中應包含這100 m范圍內(nèi)6條測線的原始數(shù)據(jù)、處理過程數(shù)據(jù)和最終處理數(shù)據(jù)。

圖5 移動式腳手架

圖6 汽車上搭載固定式平臺

圖7 汽車上搭載升降式平臺

圖8 裝載機鏟斗上固定臺架

4 圖像分析

本文中所附雷達圖像均采用中國電波傳播研究所開發(fā)的IDSP6.0版本的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理軟件處理，圖像中正波反映為白色，負波反映為黑色，橫軸表示所測洞段的里程樁號，左側(cè)縱軸表示時間標尺（ns），右側(cè)縱軸表示深度標尺（m）。時間標尺即時窗，需在數(shù)據(jù)采集前預設(shè)，深度標尺則是隨著被測物體中電磁波波速的變化而變化。下文針對水工隧洞檢測中幾種主要目標物的明顯特征進行簡要描述。

4.1 襯砌厚度

混凝土襯砌、噴射混凝土與圍巖有明顯的介電常數(shù)差，因此在時間剖面圖上，混凝土和巖石之間有明顯的界線。雷達發(fā)射的直達波呈現(xiàn)幾條平直的水平同相軸的圖像，而圍巖開挖總有或大或小的不平整，故襯砌界面一般為起伏不平的曲線圖像（圖9）。需要指出的是，襯砌混凝土與噴射混凝土相對介電常數(shù)雖有差別，但相差甚微，兩者之間若接觸較好，則可能不會有明顯反射，從而難以辨別。

4.2 鋼筋網(wǎng)與鋼拱架

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中所布置的鋼拱架和鋼筋均為金屬導體（電磁波波速為0），電磁波從混凝土傳播到金屬表面時，其能量幾乎全部被反射，因此使用高頻天線探測混凝土襯砌中的鋼拱架和鋼筋時，可觀察到明顯的反射?。▓D10），在圖像中表現(xiàn)為“黑白黑”的突起，因此能夠準確地檢測出鋼拱架和鋼筋的數(shù)量。如存在偷工減料現(xiàn)象，雷達圖像中會有明顯體現(xiàn)（圖11、圖 12）。

4.3 脫空（空洞）

脫空現(xiàn)象在隧洞襯砌施工中較為常見，且多發(fā)生于隧洞拱部。由于空氣與混凝土的電性差異較大，接觸面反射強烈，形成連續(xù)的同相軸圖像。反射波振幅越大，繞射信號越明顯，說明空腔也越大。電磁波在空氣與混凝土兩種不同介質(zhì)界面的反射特征可從圖像中清晰地分辨出，表現(xiàn)為一條“白黑白”的連續(xù)曲線（圖13），從而可確定空洞的位置和規(guī)模。

圖9 襯砌與圍巖的分界面圖像

圖10 鋼筋與鋼拱架在雷達圖像中有很強的反射

圖11 圖像反映為缺少一層鋼筋

圖12 圖像反映為缺少鋼筋導致鋼筋間距過大

圖13 空洞在雷達圖像中的反射

5 結(jié)語

地質(zhì)雷達作為一種無損檢測手段，為工程建設(shè)前期勘探、建設(shè)期實體質(zhì)量跟蹤檢測、竣工驗收成果提交等方面提供了有效的技術(shù)支持。但在水工隧洞檢測工作中，地質(zhì)雷達的應用還處于摸索階段，在工作方法上仍有待改進，在探測深度和分辨率方面仍有待提高。相信在不久的將來，地質(zhì)雷達將作為水工建筑物的一種重要檢測手段，為工程質(zhì)量樹立一道屏障。

［1］鐘世航，孫宏志，楊 峰，劉 杰，王 榮.探地雷達地質(zhì)探查及檢測技術(shù)［M］.上海，上?？茖W技術(shù)出版社，2016.