張智慧 宗志剛 張宏萄

1.中土建設(shè)（北京）工程檢測有限公司， 北京 100085； 2.中國科學(xué)院 青藏高原研究所， 北京 100101；3.北京奧科瑞檢測技術(shù)開發(fā)有限公司， 北京 102488

對襯砌質(zhì)量開展無損檢測是運(yùn)營隧道管理維護(hù)的一項重要內(nèi)容。高效準(zhǔn)確的無損檢測能夠提前發(fā)現(xiàn)襯砌病害的類型、位置、程度及其他特征參數(shù)，為養(yǎng)護(hù)與整治提供科學(xué)依據(jù)。高速鐵路、客運(yùn)專線列車時速一般在250 km以上，一旦隧道掉塊砸到運(yùn)行列車上后果嚴(yán)重。因此，如何有效開展隧道襯砌質(zhì)量檢測工作顯得尤為重要。

在多年實(shí)踐中鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測技術(shù)持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步。自1999年起，地質(zhì)雷達(dá)法以其快速、無損、定量等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于鐵路隧道檢測［1-2］。2004年中國鐵路工程總公司組織編寫了《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》，統(tǒng)一了鐵路隧道檢測要求，明確了檢測方法和技術(shù)指標(biāo)。近二十年來技術(shù)人員圍繞地質(zhì)雷達(dá)法的有效性及應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)，并不斷應(yīng)用到各種場景中。基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)又開展了非接觸式檢測［3-4］，車載快速檢測［5］，以及地質(zhì)雷達(dá)與爬行機(jī)器人［6］相結(jié)合的隧道襯砌質(zhì)量檢測，并取得豐碩成果。

然而，當(dāng)前隧道襯砌質(zhì)量檢測過程中依然存在不少檢測結(jié)果不準(zhǔn)確、可靠性不高的問題，使建設(shè)和管理單位對以地質(zhì)雷達(dá)法為主的檢測方法的有效性產(chǎn)生懷疑。造成結(jié)果不準(zhǔn)確的因素很多，如現(xiàn)場檢測條件、方法以及檢測人員對檢測要素的理解和專業(yè)認(rèn)知不足等。有鑒于此，本文結(jié)合大量既有線電氣化隧道檢測實(shí)踐，從現(xiàn)場檢測、數(shù)據(jù)處理等方面，探討提高襯砌質(zhì)量無損檢測結(jié)果有效性的方法。

1 運(yùn)營線隧道檢測存在的問題

1.1 未充分認(rèn)識不同時期隧道檢測特點(diǎn)與要求差異

建設(shè)時期與運(yùn)營期隧道襯砌檢測的工作環(huán)境、檢測目的與管理要求差異較大。建設(shè)時期檢測工作可緊跟施工進(jìn)行，檢測時間自由、干擾少，檢測區(qū)域小，檢測效果較好。此時檢測工作注重全面質(zhì)量與過程管控，主要針對初期支護(hù)厚度及背后密實(shí)程度，初期支護(hù)中鋼拱架、鋼格柵的分布，二次襯砌厚度及二次襯砌與初期支護(hù)之間的密實(shí)程度，襯砌混凝土本身的密實(shí)程度，襯砌內(nèi)部鋼筋間距及鋼筋保護(hù)層厚度等開展詳查。運(yùn)營期鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測，主要針對二次襯砌與初期支護(hù)之間密實(shí)程度、襯砌厚度、襯砌內(nèi)部鋼筋分布以及表觀病害。襯砌結(jié)構(gòu)受力區(qū)是重點(diǎn)關(guān)注對象，但此時襯砌拱部及邊墻已安裝各種接觸網(wǎng)吊柱、線纜等（圖1），不利于開展檢測工作。另外運(yùn)營期隧道檢測只能在天窗進(jìn)行，有效檢測時間少，對檢測工作的組織、檢測效率、質(zhì)量和安全要求更高。

圖1 運(yùn)營鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測現(xiàn)場

不同時期一概而論的檢測，會導(dǎo)致檢測單位與管理單位對檢測內(nèi)容、關(guān)注重點(diǎn)、檢測程度等理解偏差，從而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，建議根據(jù)工程階段、檢測條件與管理要求，明確檢測內(nèi)容、要求及重點(diǎn)，做到有的放矢。

1.2 數(shù)據(jù)缺失（無效）嚴(yán)重

地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)缺失是造成既有線檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的主要原因。當(dāng)前大部分檢測單位使用軌道車平臺、人工舉持天線等方式進(jìn)行檢測。軌道車最低行駛速度5 km/h，在通過接觸網(wǎng)等設(shè)施時檢測人員必須提前降低天線，待人員和天線通過后再行舉起，這就造成接觸網(wǎng)吊臂兩端至少10 m數(shù)據(jù)無效。另外，將長度大于3 m、重量大于5 kg的雷達(dá)天線通過長桿舉起，費(fèi)力且易失去平衡，同時還要求緊貼襯砌壁，難以長時間保持。因此，由于操縱困難，加之緊貼襯砌的摩擦阻力，常常使雷達(dá)天線脫離襯砌表面，從而造成有效數(shù)據(jù)大量缺失?？梢姡瑳]有豐富的經(jīng)驗(yàn)與完善的保障措施，無法確保檢測質(zhì)量。不熟悉鐵路的檢測單位該問題尤其突出。

1.3 較強(qiáng)的鐵磁干擾

接觸網(wǎng)吊臂、線纜遇到雷達(dá)信號時，內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，對地質(zhì)雷達(dá)信號干擾較大，掩蓋了有效探測信號，且越靠近接觸網(wǎng)干擾越嚴(yán)重。從強(qiáng)干擾背景中有效識別病害異常，尤其是襯砌空洞、不密實(shí)非常困難。如果技術(shù)人員對現(xiàn)場不熟悉，就無法采取針對性處理措施，減小干擾，突出目標(biāo)信號。其結(jié)果是簡單、盲目處理，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果可靠性差。

1.4 檢測效率低

一般的軌道車或平板車平臺檢測時只能單線通行，而由人工舉持天線避讓線纜，檢測效率相對較低。

1.5 檢測數(shù)據(jù)定位精度低

定位精度較低是造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的一個重要因素。目前隧道襯砌質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)采集主要采用時間觸發(fā)模式。該模式通過保持檢測平臺勻速前進(jìn)、數(shù)據(jù)與隧道樁號同步標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)距離與里程的對應(yīng)。然而實(shí)際檢測過程中，檢測車前進(jìn)速度變化較大，尤其在規(guī)避接觸網(wǎng)臂柱時容易產(chǎn)生較大距離誤差。此外，檢測里程系統(tǒng)與管養(yǎng)單位里程系統(tǒng)應(yīng)保持一致，方便管養(yǎng)單位對病害進(jìn)行復(fù)核處置。

1.6 人為因素

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時沒有標(biāo)識干擾源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時沒有采取針對性措施，不能結(jié)合工程實(shí)際情況給出合理判定結(jié)果。簡單參照以往新建隧道的檢測經(jīng)驗(yàn)，不管數(shù)據(jù)質(zhì)量，盲目追求效率，加之?dāng)?shù)據(jù)分析人員不了解檢測對象與現(xiàn)場情況，或缺乏電磁學(xué)與工程地質(zhì)專業(yè)知識，或生搬硬套理論，往往會得出一些明顯不合理的結(jié)論。

1.7 部分檢測結(jié)果不審慎

部分隧道檢測出的病害多，而被驗(yàn)證的病害較少，導(dǎo)致整個檢測結(jié)果準(zhǔn)確度下降，可信度降低。檢測結(jié)果直接影響結(jié)構(gòu)安全評定和運(yùn)營整治投入，應(yīng)采取專業(yè)、科學(xué)、審慎的態(tài)度多加推敲、反復(fù)論證，務(wù)求客觀。另外，有些檢測結(jié)果應(yīng)緊密圍繞檢測任務(wù)、要求進(jìn)行分析和匯總。如拱頂、拱腰等多條測線上同一位置出現(xiàn)的病害應(yīng)合并成一個。對于隧道縱向距離小于等于1 m的相鄰病害能否合并，須要綜合考慮，避免同一缺陷或病害因?yàn)闇y線增多而多次顯現(xiàn)，虛增病害數(shù)量。

2 提高檢測質(zhì)量的方法

2.1 堅持使用以地質(zhì)雷達(dá)法為主、其他方法為輔的檢測方法

有不少建設(shè)和管理單位質(zhì)疑，地質(zhì)雷達(dá)法能否有效檢測隧道襯砌質(zhì)量，尤其是運(yùn)營鐵路隧道。實(shí)踐表明［7-9］，采用地質(zhì)雷達(dá)法能夠準(zhǔn)確有效檢測鐵路隧道，尤其是運(yùn)營隧道襯砌病害。相比沖擊回波法、電阻率法、地震波法等，地質(zhì)雷達(dá)法最成熟、有效和便捷。

檢測工作應(yīng)選用性能好、應(yīng)用廣的雷達(dá)設(shè)備，以降低設(shè)備質(zhì)量和穩(wěn)定性對檢測結(jié)果的影響。使用400 ~600 MHz主頻的天線可滿足大部分隧道襯砌質(zhì)量檢測對深度與精度的要求。工程需精細(xì)檢測時可使用800 ~900 MHz主頻的天線。

在地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)缺失或者表觀病害突出地段，表觀病害調(diào)查（人工調(diào)查或掃描成像）和敲擊排查是對地質(zhì)雷達(dá)檢測的有效補(bǔ)充，能夠發(fā)現(xiàn)一些雷達(dá)檢測遺漏的淺表病害。表觀病害調(diào)查主要記錄襯砌表面的裂縫、裂紋、滲漏水、蜂窩麻面、鼓包等表觀病害信息。敲擊排查法是指人工利用剛性鐵錘敲擊襯砌，通過辨識敲擊響應(yīng)來排查襯砌背后有無空洞、冷縫的方法，主要適用于地質(zhì)雷達(dá)法受干擾比較大的接觸網(wǎng)吊臂、施工縫及襯砌厚度極?。ê穸刃∮? cm）區(qū)域。需注意的是，雖然敲擊排查法能夠發(fā)現(xiàn)一些地質(zhì)雷達(dá)法不能發(fā)現(xiàn)的問題，但是對操作人員、檢測環(huán)境要求高，難以成為主流檢測手段。

2.2 檢測任務(wù)盡量明確合理

確定運(yùn)營隧道病害檢測任務(wù)時，宜堅持從一般到特殊，從普查到詳查的指導(dǎo)思想。對于運(yùn)營隧道的常規(guī)普查，重點(diǎn)關(guān)注二次襯砌與初期支護(hù)之間密實(shí)情況、二次襯砌厚度、二次襯砌內(nèi)部鋼筋分布情況以及表觀病害調(diào)查。對于鋼格柵間距、二次襯砌內(nèi)部鋼筋間距、鋼筋保護(hù)層厚度，在普查中可適當(dāng)弱化，以免影響對空洞、不密實(shí)與二次襯砌混凝土厚度不足等運(yùn)營期重要隱患的判識。對于局部病害分布、環(huán)向施工縫位置、接觸網(wǎng)吊柱病害等確需開展細(xì)致檢測的任務(wù)，最好針對性詳查。

地質(zhì)雷達(dá)檢測中分辨率與探測深度相互制約。運(yùn)營鐵路隧道質(zhì)量檢測，淺部和深部的問題須要區(qū)別對待，采取針對性措施。檢測單位不能盲目接受檢測任務(wù)，不考慮實(shí)際情況和技術(shù)條件一味應(yīng)承。

2.3 合理布置測線數(shù)量

運(yùn)營鐵路隧道襯砌質(zhì)量普查時，測線可以稀疏一點(diǎn)布置（圖2），重點(diǎn)考慮受力或薄弱位置。若要全面掌握隧道襯砌質(zhì)量，可采用與雷達(dá)天線等寬間距全覆蓋布置測線（圖3）。這主要是考慮在2 m深度范圍內(nèi)，地質(zhì)雷達(dá)的有效探測寬度與雷達(dá)天線寬度相當(dāng)（400 MHz天線寬0.5 m左右）。局部精細(xì)檢測時測線可加密網(wǎng)格化布設(shè)。

圖2 普查測線布置（單位：m）

圖3 拱部全覆蓋檢測測線布置

在任務(wù)明確、經(jīng)費(fèi)允許的情況下，盡量增加地質(zhì)雷達(dá)測線數(shù)量，以降低因測線覆蓋不足造成的漏檢。

2.4 優(yōu)化檢測平臺

人工梯車檢測平臺采用杠桿原理，不用人工舉持，操作簡便省力，能最大程度降低接觸網(wǎng)觸碰風(fēng)險（圖4）。人工梯車檢測平臺推行速度與啟?？刂票憷?，能盡量靠近吊柱，將檢測盲區(qū)長度縮小到1 m以內(nèi)。這樣有效解決了采用軌道車、平板車平臺等方式檢測時數(shù)據(jù)缺失問題。人工梯車檢測平臺可上下行線同時檢測，效率高。對于邊墻和隧底可直接將雷達(dá)天線貼在待檢位置，人工拖曳施測。

圖4 人工梯車檢測平臺檢測現(xiàn)場

2.5 提高檢測里程定位精度

雷達(dá)檢測時，采用距離觸發(fā)采集模式可顯著提高檢測里程定位精度。結(jié)合隧道里程標(biāo)綜合標(biāo)定里程可使距離定位誤差小于1 m。

定位準(zhǔn)確是對檢測工作的基本要求。準(zhǔn)確的里程定位既方便數(shù)據(jù)處理、病害判識，又方便后期病害整治。一些雷達(dá)檢測結(jié)果中病害明確，但在現(xiàn)場卻找不到，往往是定位不準(zhǔn)所致。

2.6 加強(qiáng)檢測數(shù)據(jù)的專業(yè)化處理

在電氣化隧道檢測中，由于天線沒有緊貼襯砌表面，造成雷達(dá)信號中存在天線直耦波、襯砌表面直接反射波和各種物體的側(cè)反射波。這些都屬于干擾信號，容易覆蓋能量相對較弱的目標(biāo)信號，降低了對檢測目標(biāo)的識別能力。采用專業(yè)化的數(shù)據(jù)處理方法可剔除或壓制干擾信號，從而提高地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。

數(shù)據(jù)處理方法中，除常規(guī)的濾波，速度分析、F‐K濾波、偏移成像、反褶積等［10-12］均具備不同的壓制噪聲、剔除干擾、突出目標(biāo)信號的作用，可以針對性選用，以提高異常結(jié)果的分析、判讀與提取。

圖5為地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理前后效果對比。該數(shù)據(jù)由美國GSSI公司的SIR3000型雷達(dá)、400 MHz屏蔽天線在某電氣化隧道中采集獲得。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理前后效果對比

由圖5（a）可知：處理前數(shù)據(jù)圖像上有明顯的側(cè)反射干擾波，加上信號振蕩引起的多次波，尤其是24 ~34 m有嚴(yán)重的側(cè)反射干擾區(qū)，沒有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員會錯將該處作為病害指出。針對雷達(dá)剖面的特征，首先進(jìn)行速度分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行偏移成像處理，壓制側(cè)反射干擾波；然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行F‐K濾波和反褶積處理。F‐K濾波利用干擾波與有效波視速度的差異進(jìn)行濾波，剔除干擾成分；反褶積可以有效壓縮子波，提高垂向分辨率，以更好識別襯砌與圍巖的界面。

對比圖5（a）和圖5（b）可知，處理后干擾波得到有效壓制，檢測結(jié)果可靠性明顯提高。

由于檢測環(huán)境差異，干擾因素不同，導(dǎo)致雷達(dá)圖像包含的干擾信號與有效信號各有差異。因此，需依據(jù)數(shù)據(jù)特征、檢測目標(biāo)作針對性處理，同時結(jié)合現(xiàn)場記錄作綜合分析。在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)盡量保留有效信息不被濾除。

后期數(shù)據(jù)處理分析最好由現(xiàn)場技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)施。處理人員必須熟悉現(xiàn)場情況，具備地震波傳播、地質(zhì)構(gòu)造、隧道設(shè)計與施工等相關(guān)知識。

2.7 檢測結(jié)果力求客觀公正

隧道襯砌檢測結(jié)果必須科學(xué)、客觀、公正，尤其襯砌內(nèi)部或背后空洞、鋼筋缺失等質(zhì)量缺陷必須全面考察后再下結(jié)論。對于地質(zhì)雷達(dá)明確檢測出的空洞，與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果吻合時最好明確給出結(jié)論。對于有疑問的檢測結(jié)果，須要根據(jù)數(shù)據(jù)特征充分考慮，科學(xué)判定。與新建隧道不同，運(yùn)營隧道空洞等問題的整治涉及到運(yùn)營單位、管理單位、施工單位以及其他相關(guān)單位，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確會給各方造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至帶來不良社會影響。因此，給出正式檢測結(jié)果前須要與管理單位溝通，尤其是重大病害，要參考管理單位的經(jīng)驗(yàn)，避免因?yàn)閷I(yè)差異、經(jīng)驗(yàn)不足造成錯誤。

運(yùn)營隧道初步檢測結(jié)果盡量在現(xiàn)場檢測完2 d內(nèi)給出，以便工務(wù)部門對重大問題現(xiàn)場檢查確認(rèn)?，F(xiàn)場確認(rèn)時最好由檢測單位協(xié)助給出病害位置并配合驗(yàn)證。

3 結(jié)論與建議

綜合分析了隧道襯砌質(zhì)量采用地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的原因，提出了有效的解決方法。主要結(jié)論如下：

1）與敲擊排查法、沖擊回波法等隧道襯砌質(zhì)量檢測方法相比，地質(zhì)雷達(dá)法相對成熟，能夠發(fā)現(xiàn)鐵路隧道襯砌中絕大部分隱蔽性病害。應(yīng)堅持以地質(zhì)雷達(dá)法為主要檢測方法，敲擊排查法、沖擊回波法可作為該方法的補(bǔ)充，彌補(bǔ)淺表病害或地質(zhì)雷達(dá)檢測盲區(qū)的檢測。

2）根據(jù)線路特點(diǎn)、檢測任務(wù)與重點(diǎn)，采取相應(yīng)的組織模式及現(xiàn)場措施。根據(jù)普查與詳查目的差異，合理確定檢測內(nèi)容和方法。盡可能增加地質(zhì)雷達(dá)測線數(shù)量，降低因測線覆蓋不足造成的漏檢。

3）采用人工梯車檢測平臺可提高運(yùn)營鐵路隧道襯砌質(zhì)量雷達(dá)檢測的準(zhǔn)確性。該方法操控簡便，能最大程度縮小檢測盲區(qū)，減少漏檢；同時能夠有效避免接觸網(wǎng)吊臂等障礙物，降低安全風(fēng)險。此外，上下行線可同時檢測，效率倍增。

4）提高檢測工作現(xiàn)場定位精度。檢測里程系統(tǒng)應(yīng)保持與管養(yǎng)單位里程系統(tǒng)一致，方便病害核查與整治。

5）重視現(xiàn)場檢測與數(shù)據(jù)處理，選取專業(yè)技術(shù)人員，采取專業(yè)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這樣可降低在采集、處理、分析等各環(huán)節(jié)因?qū)I(yè)認(rèn)知差異造成的誤判漏判。盡量考慮全面，檢測結(jié)果應(yīng)本著科學(xué)、公正、審慎的態(tài)度提出。