楊 泰

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司， 北京 100000）

0 前言

在高效快捷工作生活的今天，人們?cè)诔鞘信c城市之間的出行，更多的選擇了高鐵這種便捷的交通工具。鐵路建設(shè)施工中，隧道施工地質(zhì)復(fù)雜，施工難度大，設(shè)計(jì)方案的先天不足，給施工留下質(zhì)量通病和安全隱患。特別是已建成運(yùn)營(yíng)的隧道，有不少隧道存在各種各樣的質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。地質(zhì)雷達(dá)法無(wú)損、高效、高分辨率，快速采集分析圖像等優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確找出隧道存在的質(zhì)量問(wèn)題，便于及時(shí)對(duì)隱患進(jìn)行處理，為交通建設(shè)帶來(lái)了技術(shù)支持。

1 SIR4000地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外占比情況

SIR4000地質(zhì)雷達(dá)在A/D轉(zhuǎn)換方面采用24位輸出數(shù)據(jù)格式，接收能力更加強(qiáng)大。SIR4000地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的掃描速率更高，在同樣的采樣點(diǎn)前提下，采集點(diǎn)越多，掃描線的分辨率越高。SIR4000共有采集點(diǎn)16384個(gè)。SIR4000的采集速度更快。疊加次數(shù)可反映儀器的去噪能力，疊加次數(shù)越大，去噪能力越強(qiáng)，信號(hào)質(zhì)量越好。SIR4000系統(tǒng)疊加次數(shù)為64000次。

SIR4000地質(zhì)雷達(dá)采用GSSI廠家專門研發(fā)的地質(zhì)雷達(dá)后處理軟件，比第三方軟件更具有針對(duì)性的處理效果，且軟件有中文版本，方便國(guó)內(nèi)用戶使用。美國(guó) GSSI廠家的天線頻域最廣，頻率選擇最多，可滿足一機(jī)多用的要求，用戶可根據(jù)需要，搭配使用不同頻率的天線以完成不同工程的需要。

SIR4000地質(zhì)雷達(dá)在產(chǎn)品性能和應(yīng)用領(lǐng)域方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外擁有廣泛的用戶群體，受到了用戶的一致好評(píng)。在全球地質(zhì)雷達(dá)銷售市場(chǎng)中，SIR4000銷量超過(guò)6000套，占70%以上，其中在國(guó)內(nèi)銷售1500余套，市場(chǎng)占有率65%，是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最具口碑的地質(zhì)雷達(dá)。

2 SIR4000地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道中的應(yīng)用

2.1 工程概述

大張高速鐵路河北段大梁山隧道進(jìn)口為單洞雙線隧道，里程DK55+735～DK69+130, 全長(zhǎng)13395m，隧道最大埋深430m。大梁山隧道施工進(jìn)口段里程 DK55+735～DK61+450，長(zhǎng)度為 5715m，地質(zhì)條件復(fù)雜，DK55+735～DK56+600段上覆濕陷性黃土厚度0-30m，DK56+600～DK56+725段為泥巖夾砂巖，具有膨脹性，對(duì)隧道進(jìn)口施工以及隧道基底有影響。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)處理的目的

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是除去檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的干擾波，以最大可能的分辨率將雷達(dá)圖像上的反射波顯示出來(lái)，然后將反射波中各種有用的地質(zhì)信息包括電磁波速度，振幅和波形等提取出來(lái)，用于雷達(dá)圖像的判釋，如基于不同頻率的各種反褶積技術(shù)，確定性反演濾波、遞歸濾波、最小平方濾波和子波處理等。數(shù)據(jù)處理的另一目的是將數(shù)據(jù)元素重置以補(bǔ)償由于來(lái)自不同方向的反射迭加產(chǎn)生的空間畸變，如偏移處理等。

2）數(shù)據(jù)處理的方法

數(shù)字分析處理是雷達(dá)剖面圖像解譯的關(guān)鍵步驟。根據(jù)檢測(cè)目的，選擇合理的數(shù)字處理方法，突出目的層。常用處理方法一般有靜校去直流、道均衡、道間平滑、反褶積、增益調(diào)節(jié)以及插值等，目的在于以下幾個(gè)方面：

（1）取多次重復(fù)測(cè)量平均以抑制隨機(jī)噪聲；

（2） 取鄰近不同位置的多次測(cè)量平均以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；

（3）自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；

（4）濾波處理或時(shí)頻變換以除去高頻雜波或突出目的體，降低背景噪聲和余振影響；

（5）時(shí)域的一維、二維空間濾波；

（6）做與目的體有關(guān)的三維處理等等。

3）數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2.1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 工程應(yīng)用

1）檢測(cè)部位

本次檢測(cè)的位置起止里程為DK55+735～DK61+450，長(zhǎng)度5715，沿洞軸線方向分別在邊墻、拱腰、拱頂布置5條測(cè)線，采用的是400MHz屏蔽天線進(jìn)行檢測(cè)，其穿透深度在100cm。具體的檢測(cè)部位如下表所示：

表2.1 大梁山隧道地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)里程、部位及測(cè)線位置統(tǒng)計(jì)表

2）數(shù)據(jù)處理

在本工程具體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理采用SIR4000型探地雷達(dá)系統(tǒng)的RADAN6.5軟件，根據(jù)收集和掌握的設(shè)計(jì)、勘察、施工等資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其主要處理步驟如下：（1）頭文件的處理：查看檢測(cè)的頭文件中的參數(shù)設(shè)置是否正確；（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理：主要是對(duì)于數(shù)據(jù)的合并、切除，測(cè)線的歸一化處理、直達(dá)波的拾?。唬?）干擾波處理：先通過(guò)一定的數(shù)字濾波方法過(guò)濾掉干擾波，然后經(jīng)反褶積突出異常信號(hào)，使異常波形更接近于異常體征。

3）檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總

表2.2 大梁山隧道缺陷匯總表

4）具有代表性的缺陷檢測(cè)表

表2.3 大梁山隧道缺陷檢測(cè)表（代表性）

圖1 鋼筋間距過(guò)大

圖2 脫空

圖3 鋼筋保護(hù)層厚度不足

2.4 缺陷復(fù)測(cè)情況

根據(jù)《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程》（TB10223-2004）對(duì)大梁山隧道的5條測(cè)線部位進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中共計(jì)發(fā)現(xiàn)406處缺陷，其中23處二襯厚度不足，施工單位按照《大梁山隧道（DK57+000～DK61+200段）二次襯砌缺陷安全評(píng)價(jià)咨詢報(bào)告》進(jìn)行整治銷號(hào)，其余的383處缺陷施工單位經(jīng)整改報(bào)檢后進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求，其余地段地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線處未發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)。

3 影響地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素

施工過(guò)程不規(guī)范及工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性：

1）鋼筋保護(hù)層較薄會(huì)影響到雷達(dá)圖像的檢測(cè)效果，對(duì)隧道襯砌施工而言，二襯內(nèi)鋼筋的定位尤為重要，由于部分隧道襯砌鋼筋綁扎不規(guī)范，鋼筋保護(hù)層較薄，鋼筋反射信號(hào)強(qiáng)，多次反射，致使二襯背后存在的缺陷異常反射信號(hào)被覆蓋，影響了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，影響了檢測(cè)質(zhì)量。

2）隧道內(nèi)存在預(yù)埋管件等鋼構(gòu)件的位置也會(huì)對(duì)檢測(cè)造成干擾。所以后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄，找出施工預(yù)埋的鋼構(gòu)件和位置里程，正確識(shí)別隧道襯砌內(nèi)部真實(shí)存在的缺陷異常和預(yù)埋管引起的假異常。舉例來(lái)說(shuō)，雷達(dá)天線在檢測(cè)拱頂時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到接觸網(wǎng)預(yù)留滑槽，使圖像產(chǎn)生異常反應(yīng)，但這不能被判定為缺陷。所以在缺陷識(shí)別中排除干擾數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。

4 提高地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)精度的措施

在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于人為因素以及檢測(cè)時(shí)設(shè)備天線的貼合度、檢測(cè)臺(tái)車的顛簸、檢測(cè)前雷達(dá)主機(jī)的參數(shù)調(diào)試等因素的影響，對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)精度會(huì)造成誤差。具體分析可以得出如下結(jié)論：

1）.隧道內(nèi)隧底積水等有其他對(duì)電磁波產(chǎn)生干擾的物質(zhì)會(huì)大大降低雷達(dá)天線探測(cè)深度和分辨率，因此在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量避開(kāi)或?qū)⑦@些物質(zhì)清除后再進(jìn)行檢測(cè)。避免這些物質(zhì)對(duì)我們采集雷達(dá)信號(hào)的干擾，這樣可以很好的減少在后期處理數(shù)據(jù)和出具檢測(cè)報(bào)告中的誤差。

2）檢測(cè)數(shù)據(jù)的好壞主要取決于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。有些隧道里程識(shí)別不清或里程識(shí)別未經(jīng)測(cè)量復(fù)核，在檢測(cè)過(guò)程中本身隧道內(nèi)視線不好，從而造成誤差較大，因此現(xiàn)場(chǎng)需要專業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行精確測(cè)量后標(biāo)定，以保證現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。這一點(diǎn)對(duì)判斷隧道內(nèi)的施工缺陷的位置至關(guān)重要。

3）天線的傾斜會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)情況存在偏差，檢測(cè)人員在手扶天線的過(guò)程中，可能會(huì)遇到行走路線上的障礙物或長(zhǎng)時(shí)間的工作無(wú)法保持正確姿勢(shì)，從而使天線不能始終與測(cè)線方向保持平行，而產(chǎn)生一定的角度，從而直接影響雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4）在用儀器采集數(shù)據(jù)時(shí)，操作人員應(yīng)密切注意雷達(dá)圖象的變化，對(duì)圖像異常段做好記錄，必要時(shí)進(jìn)行復(fù)檢。保證檢測(cè)車平穩(wěn)勻速直線行進(jìn)，中間盡量減少停頓，必要時(shí)記錄停頓位置。

5）探測(cè)前，對(duì)具體檢測(cè)的隧道，要根據(jù)設(shè)計(jì)和勘查的資料，選擇不同類型的天線，設(shè)置好儀器的各項(xiàng)參數(shù)，包括介電常數(shù)、增益、以及高、低通濾波等。特別是介電常數(shù)的確定，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試、試測(cè)，達(dá)到理想的效果才能進(jìn)行檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

SIR4000地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道的探測(cè)，做到了不傷害現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，有快速、直觀、精準(zhǔn)、分辨率高等特點(diǎn)，施工時(shí)能快速的使用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)出隧道施工中的缺陷，及時(shí)的整改，避免重大安全質(zhì)量隱患，以便隧道驗(yàn)收時(shí)順利通過(guò)。

盡管如此，SIR4000地質(zhì)雷達(dá)對(duì)雙層鋼筋結(jié)構(gòu)的探測(cè)還不是很準(zhǔn)確，以后應(yīng)研究地質(zhì)雷達(dá)對(duì)雙層鋼筋結(jié)構(gòu)探測(cè)的準(zhǔn)確性，避免鋼筋間的反射造成判別誤差，確保使用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道檢測(cè)達(dá)到更高的精度，為鐵路交通運(yùn)營(yíng)安全保駕護(hù)航。