探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用
探地雷达在水利工程隧道衬砌脱空质量检测中的应用何红斌
探地雷达在水利工程隧道衬砌脱空质量检测中的应用何红斌发布时间：2023-05-07T07:51:19.360Z 来源：《工程管理前沿》2023年5期作者：何红斌[导读] 水工隧洞是水利水电工程中在山体或地下开挖的,用于输水､发电､灌溉､发电､泄洪､导流､放空､排沙等具有封闭断面的过水通道｡隧洞混凝土衬砌需承受围岩压力及内水压力,如水工隧洞常处于地下水位以下且围岩渗透性好,则还需承受较大的外水压力｡中国水电十五局一公司陕西咸阳712100摘要：水工隧洞是水利水电工程中在山体或地下开挖的,用于输水､发电､灌溉､发电､泄洪､导流､放空､排沙等具有封闭断面的过水通道｡隧洞混凝土衬砌需承受围岩压力及内水压力,如水工隧洞常处于地下水位以下且围岩渗透性好,则还需承受较大的外水压力｡水工隧洞一般具有断面小､洞线长的特点,其施工工序多,干扰大,施工条件差,隧洞混凝土衬砌往往存在厚度不足､围岩与衬砌混凝土接触面有脱空､混凝土衬砌后注浆回填不密实､缺少钢筋等质量缺陷,这些质量缺陷会使衬砌混凝土与围岩不能共同均匀承受外力,恶化了衬砌混凝土的受力条件和耐久性,衬砌混凝土实际承载能力和使用年限可能达不到设计要求,这将对水工隧洞的后期运行带来严重的危害｡采用探地雷达法对水工隧洞混凝土衬砌厚度､脱空､回填不密实､钢筋分布等情况进行无损检测,可有效､准确､及时地发现水工隧洞的混凝土衬砌质量缺陷,并能对此类质量问题的性质及规模做出评价,为水工隧洞混凝土衬砌后的病害处理提供有力依据｡本文通过对水利工程隧道开展L1､L3及L5探地雷达剖面测量工作,以此检测隧道衬砌脱空情况,结果表明：隧道衬砌如果存在脱空,则在剖面探测结果存在强反射相位｡后经钻探验证,探底雷达在隧道衬砌脱空质量检测中效果明显,为后期工程修复提供了依据｡关键词：探地雷达技术;地下结构;水利工程;衬砌脱空质量检测1探地雷达的工作原理和应用1.1 探地雷达的探测原理基于电磁波遇到不同的介质会发生反射和透射的原理,探地雷达发射天线向地下发射电磁波,遇到管线发生反射和透射,反射回地面的信号被接收天线接收,透射信号向下传播,直到信号能量耗尽[4,6]｡根据反射信号的走时和强度,经过数据处理可以确定地下管线的材质､管径､埋深等信息｡1.2探地雷达的探测方法探地雷达根据工作方式可以分为以下3类：A-scan､B-scan､C-scan｡其中A-scan即为连续采集模式,发射天线和接收天线位置固定,采集数据对应地面某一点的地下情况;B-scan即为沿着剖面线采集的方式,发射天线和接收天线相对位置固定,同时沿着某一设定好的测线进行探测,采集的数据对应测线下剖面的地下情况,常见的“推车”工作方式即为该工作方式;C-scan即为在地面布置一定间距的测线,在每条测线上进行B-scan测量,采集数据对应地下三维情况｡2探地雷达检测隧道衬砌脱空的基本原理探地雷达方法是利用高频无线电辐射相关仪器实现高频无线电发射与收集[4-5],高频无线电通过发送天线直接射向地底介质表面,高频无线电在经过地底介质表面后反射,再由收集天线受到反映回去的无线电,从而实现监测介质表面构造的目的(见图1)｡图1探地雷达原理示意自然界中每一类物体其自身的电磁特性都具有一定的差异性,即使本是同一种物质,其电磁特性也会因为其本身湿度的不同､自身空隙度､含杂质百分量的不同导致其电磁特性也具有一定的差异｡电磁性质具有一定差异,其根本原因是介电常数的不同(见表1)｡该种电磁性质的差异决定了在不同介质中,电磁波的传播速度是不一样的｡高频电磁波在地下介质内的传播过程中,经过不同的地下介质(如裂缝､不密实区､空洞､材质不同等),电磁波将会发生反射,通过接收器会接收到反射回地面的电磁波｡由于介质电磁性具有差异,接收的电磁波波形也会产生不同,从而可以根据波形趋势的差异､电磁波强度的强弱等信息推断地下介质的相对空间位置分布､结构差异､电性特征差异及几何形态的不同｡表1几种介质的电磁特性参数介质相对介电常数电磁波速度空气10.3干砂 2.60.15含砾岩土层150.06混凝土4-110.12花岗岩4-70.13砂岩8-90.9钢筋∞∞3检测仪器和检测方法3.1检测仪器针对此次隧道衬砌的测试状况,主要从清晰度､穿透力和安全稳定性三大主要方面综合考虑[6],本次测试将采用SIR-30E地质雷达,该地质雷达由劳雷(北京)仪器有限公司所生产｡工程主要目的是检测围岩和衬砌间是否存在空洞或空隙,因此,选择天线参数为400M天线,因为400M天线其具有强的穿透特性,可以有效达到预期目的｡时窗参数设置为20ns,采样点数设置为1024点/道,介电常数为7｡数据的采集方式为采用连续测量方式进行｡采集数据开始之前应当充分做好准备工作,保证采集工作的顺利开展,用皮尺丈量隧洞指定桩号段并做好标记,调试雷达时间剖面上各测点的高度与隧洞里程数一致,同时为确保测量定位准确性防止测量定位产生偏离,应当在隧洞衬砌表层绘好里程标志｡同时整合内业资源,标识里程桩号,根据标注和录入的首末标识工作中间核查的里程数,在雷达时间剖面上标识里程桩号｡3.2测线布置对发电引水系统上平洞段指定位置进行检测,沿隧道纵向布置3条测线,L1测线位于拱顶,L3右拱测线位于拱顶右侧60°处,L5位于右拱腰线｡3.3数据处理流程探地雷达资料分析与解释首先需要进行预处理,并且对处理后的数据进行分析和解释,实现探地雷达数据分析与解释首先对数据进行采集,确保采集到数据的准确性后进行数据传输,将得到的数据进行文件分类编辑后进行数据的预处理,对于数据预处理,简单得出零线设定､各种滤波､偏移以及各种变换,在以预处理后的数据进行分层处理与预期效果对比是否达到设计要求,而在分层处理后得到的数据后可计算出介质的介电常数,从而计算出电磁波在介质中的传播速度,以图2探地雷达数据处理流程示意此对不同介质进行参数分析判断是否达到预期的处理效果｡如果与预期的设计要求误差过大处理效果不理想,则应对预处理得到的数据再次进行校正来减小误差,随即对校正后的数据重新进行分层处理得出相关参数｡分层处理后的数据及相关参数如果达到预期处理效果后即可进行图形分析编辑,将分析编辑得到的图形再加以修饰注释后即可输出结果(见图2)｡数据处理分析主要是为了压制规则及避免不可控制因素引起随机干扰,从而达到使反射波尽可能以高的分辨率显示在探地雷达图像剖面上｡探地雷达所接收的是来自地下不同电性界面的反射波,其正确解释取决于检测参数选择合理､数据处理得当､模拟实验类比和读图经验等因素[7]｡数据处理工作主要使用的软件为工程Radan7专用软件,其处理工作内容主要包括距离归一化､确定速度和水平､垂直滤波｡1)距离归一化因为在实际探测过程中不可能保证天线移动速度进行匀速扫描,不匀速扫描导致探地雷达天线在工作中每米扫描的线数不同,为减少该误差对探测工作的影响,使用标记功能首先测算出天线移动的距离,一般情况是每2m进行1次标记,数据在后期处理中可以先选择每米扫描数,在该段距离内补充或删掉部分扫描线,使得测线内的扫描线条数相同均匀,以此来减少扫描时的误差｡2)确定波速地质雷达接收记录的是电磁波射出和反射回来的双程走时,此时就需要根据电磁波波速计算出目标体的位置,波速计算一般通过公式v=c/s进行计算(其中：v为电磁波波速;c为真空中电磁波波速;s为相对介电常数)｡3)水平和垂直滤波雷达资料中水准信号的发育现象往往发生在雷达设备本身,通常条件下水平信号是很难避免的,在一些实际案例中一般会将天线对着天空,但接收器依旧会接收记录到反射波,可见该方法并不有效,从而可以得出该反射波并不是来自天空,而是由控制器､数据线､天线的相互作用而形成的｡水平滤波是因为水平波的特点是时间相等,在滤波这一过程中,一般消除水平波的方法是将相邻的一定数量的扫描线求平均与个别扫描线相比较｡在水平滤波中,选择的扫描行数通常和水准滤波器作用成负相关,一般条件下表现在选择的扫描行数越大,对水准滤波器作用也越小,因此,消除水平信号的作用就更显著｡同时水平滤波扫描线并不能选取的太少,否则就很容易由于滤去水平信号的作用过于明显,而产生滤去的缓变界面｡所以,在采用水平滤波时,应注意依据对象情况不断的加以调节,以保证水平滤波效果最佳[8]｡垂直滤波的主要目的是为了减少杂散波对所接受电磁波的影响,与水平滤波不同,其杂散波并不是由天线本身所产生的,而是直接来自于外源,其频段范围也不在雷达天线所选择的频段之内｡在一般情况下使用垂直滤波主要是为分辨不同的地质体,并且选择不同的频段｡但是此时垂直滤波由于是一个特殊变换,会对处理结果产生一些影响,最常见的情形就是会产生很大的失真,而且一般频段范围越窄失真就越大,所以需要在使用中特别需要注意选择方式和参数｡但在通常情况中滤波处理改善效应并不明显,因为雷达天线的发送和接收都设置好了带宽,而雷达信号本身也已过了滤波｡混凝土密实性也对电性具有很大影响,混凝土密实电性差异很小,从而反射界面不明显,致使电磁波反射信号幅度通常很微弱,甚至没有界面反射功能;混凝土的不密实电性变化大,通常只在衬砌表面上出现较强反射信号,同时在反射波的同向轴形成绕射弧形,但分布并不连续,也比较离散[9-10]｡在出现孔洞时会在衬砌表面出现强烈的反射信号,三振变相明显,同时在孔洞下面也出现了强烈的反射界面信号,两个信号时程相差很大｡钢架在雷达图像上,呈分散的月牙形强反射信号;钢筋或钢筋网则形成连续的小双曲线形反射信号｡图2探地雷达数据处理流程示意4检测结果分析与验证对沥青路面面层产生裂缝的位置处采用三维探地雷达进行裂缝探测，通常使用保持雷达参数不变沿原测线对裂缝情况再次进行检测的方法进行测试。
探地雷达波形特征及在隧道质量检测中的应用
探地雷达波形特征及在隧道质量检测中的应用摘要：探地雷达ＧＰＲ是一种新型的无损检测仪器，是一种利用高频电磁波探测结构工程质量的无损检测方法。
该方法可根据探测的波形记录直接分析混凝土内部缺陷的分布和形态，对隐蔽工程的施工质量具有可视性；可根据探测深度、分辨率的要求选用不同频率的天线；可在结构物表面进行，灵活性较好，在同一部位可进行多次重复测试。
关键词：雷达波形特征；隧道质量检测；应用；探地雷达检测隧道的方法和传统的检测方法相比，具有高效率、高采样率、无损连续检测等优点。
探地雷达用于隧道的检测主要为初期支护和衬砌的检测，通过雷达波分析可发现混凝土内部存在的空洞、不密实等质量缺陷，通过专用软件处理，还可得出衬砌混凝土的层厚数据。
1 探地雷达系统组成及波形特征国内外各种型号的探地雷达组成基本一样，主要包括发射机、接收机、天线、分离器、信号处理机和成像显示设备等，探地雷达系统将高频（100～1 000MHz或更高）电磁波以宽频带脉冲形式由发射天线向被探测物发射，该雷达脉冲在被探测物质中传播遇到不同电性介质交界面时，部分雷达波的能量被反射回来，由接收天线接收。
电磁波在传播过程中，其路径、电磁场强度与波形随所通过介质的电性质及几何形态的变化而产生不同程度的变化。
根据反射波信号的时延、形状及频谱特性等参数，可以解译出目标深度、介质结构及性质。
在数据处理的基础上，应用数字图像的恢复与重建技术，对探测目标进行成像处理，以期达到对探测目标真实和直观的再现。
探地雷达的发射天线。
和接收天线以固定的距离沿测线移动，记录点位于两天线中心，雷达图形在各点上均沿测线的铅垂方向以脉冲反射波的波形形式记录，构成雷达剖面。
探地雷达发射的电磁波在介质中传播时会随传播距离的增加而发生衰减，因此在对采集数据分析时，首先要对电磁波信号进行增益处理，将其损失的能量补上，不同介质的介电常数存在一定的差异，当电磁波在不同介质中传播时，会在其界面发生反射和入射现象，介质的介电常数差异越大，反射越强烈，探地雷达正是利用这一原理进行质量缺陷或目标体进行探测．空气的介电常数为1，混凝土的介电常数约为8～10，水的介电常数为81，金属的介电常数为无穷大，电磁波与金属发生全反射，以上4种物质在工程中最常用，其介电常数差异也较大，正好满足探地雷达探测目标的要求，因此，探地雷达非常适用于混凝土隐蔽工程缺陷探测。
多频率地质雷达在隧道二次衬砌检测中的应用
技术应用多频率地质雷达在隧道二次衬砌检测中的应用郑荣政（中国铁路设计集团有限公司土建工程设计研究院，天津300308）摘要：隧道衬砌质量的优劣将直接决定隧道运营期的安全稳定，应用地质雷达对隧道二次衬砌进行无损检测已较为普遍且技术日臻成熟。
地质雷达检测中采用单一频率往往会对缺陷识别、缺陷细节等信息产生漏判、误判。
通过组合应用900MHz和400MHz天线对隧道二次衬砌进行无损检测，并对检测结果进行综合研判，结果表明，在较深范围内可获取更为全面的缺陷细节、缺陷分布等信息，明显减少无损检测漏判、误判现象，可提高无损检测质量缺陷判识的准确性，对保证隧道工程质量起到较好作用。
关键词：地质雷达；隧道；二次衬砌；无损检测中图分类号：U270文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）06-0127-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.06.1270引言截至2020年底，我国投入运营的铁路隧道里程约19630km。
其中在西南山区，铁路隧道建设比重较大，针对铁路隧道的安全稳定性分析，隧道二次衬砌的优劣已经成为隧道建设过程中质量控制的关键环节，合理评估隧道二次衬砌的质量对提升隧道施工质量、保障工程质量验收和保证铁路运营安全发挥着重大作用。
地质雷达检测是一种在不损伤隧道结构的前提下，在隧道不同位置布置测线，通过电磁波反馈进行信息采集处理从而对隧道衬砌质量及其内部病害进行探查的方法。
由于地质雷达检测具有高效、经济、操作方便、直观等特点，目前在隧道结构病害检测及服役期质量筛查分析中得到了广泛应用［1-4］。
地质雷达检测中，天线频率与检测的缺陷分辨率及探查范围大小有直接关系。
在工程应用中，往往采用某一特定频率进行隧道衬砌无损检测，假如不考虑物探解译方法对检测结果的影响，无损检测工作难免存在误判、漏判情基金项目：中国铁路设计集团有限公司科技研究开发计划项目（2021A240608）作者简介：郑荣政（1986—），男，工程师，硕士。
雷达探测在地铁隧道结构病害检测中的应用
雷达探测在地铁隧道结构病害检测中的应用******************摘要：随着我国城市人口总量的不断上升，大型城市、超大型城市的增多，轨道交通的建设规模也随之壮大起来。
截至2021年9月30日，我国城轨交通运行线路总长度增长至8553.4公里，其中地铁线路长度6737.7公里。
地铁由于其特殊的地下运行方式，在大大缓解了城市地面交通压力的同时，其工程施工、结构维护也受到地质条件、技术条件、经济条件等多方面因素的限制，而地铁盾构隧道管片衬砌作为地铁盾构隧道土建工程的最后一道工序，是盾构法施工隧道的永久性衬砌结构，承担着抵抗地下土层压力、结构自重等功能作用，是地铁隧道结构的最后一道屏障，所以盾构隧道管片质量直接关系到地铁隧道的整体质量和安全，影响地铁隧道的防水性能及耐久性能。
近些年来，地铁盾构隧道因隧道管片衬砌开裂、掉块、渗漏水和道床脱空等问题导致地铁运营线路减速、降速问题时有发生，给地铁线路的安全运营带来巨大的潜在威胁。
为了解决地铁盾构隧道结构病害问题，业内发展了多种可以用于解决盾构隧道管片衬砌结构病害的检测技术。
本文结合典型案例,介绍了雷达探测技术在地铁盾构隧道结构病害治理中的应用。
关键词：雷达探测、盾构隧道衬砌、渗漏水、病害检测；引言：雷达探测法是一种具有快捷、无损等优点的工程检测技术，其依据不同介质间介电常数的差异，对探测区发射高频电磁波，通过对反射波的波形、振幅和双程走时等参数进行分析，推测地下目标体的空间分布特征。
在辨识结构病害方面，雷达探测法优于传统的观察法和钻孔取芯法。
近年来，国内学者在雷达探测的应用方面进行了一些相应的研究：将雷达探测法应用于地铁盾构隧道管片结构裂缝检测及盾构隧道整体道床后方脱空状态检测；分析与总结了地质雷达法在盾构隧道结构病害检测中应用的一些经验；针对雷达探测在地铁盾构隧道结构病害检测应用中遇到的常见问题，进行了相应的分析。
1地质雷达基本原理地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体，是通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析，来查明介质结构、属性、几何形态及其空间分布特征。
隧道衬砌质量检测
隧道衬砌质量检测白雪冰孔祥春一、工程概况北京鑫衡运科贸有限责任公司工程检测部于二○○五年三月十一日至二十一日对某公路隧道的衬砌，进行无破损法检测，目的是检测二衬结构的厚度、衬砌内部及背后缺陷分布情况。
因本次检测的具体情况，经业主单位研究协商，确定本次检测在隧道内布设5条雷达纵测线，进行全线检测.二、工程地质、水文地质概况隧道东线出口段K79+816~K82+816段3000m、续建段K74+280~K75+180段900米以及西线YK73+835~78+335段4500米隧道穿越地段岩性以含绿色矿物混合花岗岩和混合片麻岩为主，间夹蚀变闪长岩，霏细岩及花岗伟晶岩脉。
以上三段隧道共穿越大小断层13条，围岩类别变化频繁，地质结构复杂、通风排烟困难、岩爆频繁是本工程的特点和难点。
三、检测内容及标准1、检测内容：(1)探地雷达检测二次衬砌厚度和衬砌内部及背后缺陷；(2)初衬内部及背后缺陷；2、检测标准:(1)铁路隧道工程质量检验评定标准，TB10417－98；(2)铁路混凝土与砌体工程施工及验收规范，TB10210－97；(3)混凝土结构工程质量验收规范，GB50204－2002；四、测线的位置测线共五条，纵向布置在隧道衬砌表面，具体见以下示意图。
五、检测仪器设备基本原理地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波（主频为数十至数百乃至数千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线传入地下，经地下地层或目的物反射后返回地面，被另一天线接收。
脉冲波旅行时间为T。
当地下介质的波速已知时，可根据测到的准确T值计算反射体的深度。
雷达系统的基本部分如下图：电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。
不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。
地质雷达技术在公路隧道质量检测中的应用
地质雷达技术在公路隧道质量检测中的应用摘要：目前公路隧道工程中，常常出现衬砌背后空洞、衬砌厚度不足等质量缺陷。
本论述以某公路隧道建设工程为例，通过对隧道部分段落的隧道衬砌进行地质雷达无损检测，波形图数据处理分析，及时发现隧道施工过程中容易出现的质量缺陷，加强隧道施工过程质量管控，为后续施工提供数据支撑，达到消除隧道质量隐患和提升隧道施工质量的目标。
关键词：地质雷达；衬砌；无损检测；电磁波1.地质雷达检测原理及应用条件地质雷达检测的基本原理是采用电磁波探测技术，利用电磁波在不同介质中传播所产生的反射现象和数据差异来分析具体的地质情况，如图1所示。
从原理上讲，地质雷达类似于声纳设备，发射机发射脉冲电磁波讯号，该电磁波讯号在岩层、土壤等介质中传播，在传播过程中遇到与所检测的岩层、土壤等不同介质的物体时会发生反射，接收机拾取所反射的信号，记录它并在相配套的计算机软件中显示为不规律的波形图像，根据所显示的波形图像可判断地下物体的位置和距离，用于检测各种地下构筑物。
图1 地质雷达工作原理地质雷达发射电磁波所造成的反射是由电磁波传播介质中电阻抗的变化产生的，在地质雷达频率范围内，地下介质的电阻抗变化主要由相对介电常数的变化决定，反射系数R如式1所示：式中：e1、e2分别为相对介电常数。
由式1可以看出，信号反射的强弱主要取决于不同介质的相对介电常数差值，差值越大，信号反射越明显。
在隧道检测中，一般检测的介质主要由围岩、混凝土、空气、水构成，有关介质的介电常数值见表1所列。
表1 不同介质的相对介电常数2.隧道质量检测应用实例2.1 工程概况该隧道分离式设计，间距约30 m。
右线进口桩号为K119+730，出口桩号为K120+685，全长955 m；均属中隧道。
隧址区属构造剥蚀中低山地貌单元，山体形态多浑圆状，山脊较宽，洞室埋深较大，岩性主要为中风化板岩，岩体节理裂隙较发育，岩体较破碎，稳定性较差，顶部无支护可能会发生掉块、坍塌现象，施工时洞室会有渗水、滴水现象。
隧道二衬厚度检测雷达法作业指导书
一、隧道衬砌(支护) 厚度及背后空洞（地质雷达法）试验检测作业指导书1.试验目的与适用范围（1）目的：指导地质雷达现场探测作业，保证探测成果质量。
（2）适用范围：适用于工程地质雷达对隧道初期支护及二次衬砌检测作业。
2.试验依据（1）《公路隧道施工技术规范》JTG/T 3660-2020（2）《公路工程质量检验评定标准》第一册土建工程JTG F80/1-2017（3）《雷达法检测混凝土结构技术标准》JGJ/T 456-2019（4）《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB 10223-20043.仪器设备常用检测设备一栏表4.试验准备（1）隧道衬砌检测包括前期的准备工作和检测工作，具体有以下几项内容。
1）了解隧道高度量测隧道拱顶到仰拱的高度，为搭建检测台车提供尺寸数据。
2）用明显标记，按照5m/10m间距在边墙上标明隧道里程。
3）搜集衬砌设计资料和竣工资料，了解设计厚度、钢筋间距、钢架间距以及施工过程中的变更信息。
4）记录隧道中避车洞、下锚段、电缆位置，统计隧底积水段落。
5）对衬砌表面潮湿或有凝结水珠的部位进行统计，记录已发病害的位置和类型。
6）制订对可能影响到检测台车行进的障碍物的处理办法。
7）查明附近是否有对雷达产生影响的电磁干扰源。
8）运营隧道检测需要明确天窗时间。
（2）确定测线位置，搭建检测操作车1)测线布置应以纵向布置为主，横向布置为辅，每5~10m测线应有一个里程标记。
2)单洞两车道隧道应分别在隧道的拱顶、左右拱腰、左右边墙布置共5条测线；单洞三车道应在隧道的拱腰部位增加两条测线；遇到支护(衬砌)有缺陷的地方应加密测线。
3)单洞两车道隧道应分别在隧道的拱顶、左右拱腰布置共3条测线；单洞三车道应在隧道的拱腰部位增加两条测线；遇到支护(衬砌)有缺陷的地方应加密测线。
测点示意图（3）人员配备1)检测人员：2-3人负责采集数据、记录数据及现场资料、记录标记里程。
2)指挥人员：1-2人负责指挥装载机(路灯车等)师傅，是速度尽可能平稳均匀，保证人员和设备的安全；负责现场的协调调度工作。
探地雷达在高速公路隧道衬砌质量检测中的应用
探地雷达在高速公路隧道衬砌质量检测中的应用摘要:探地雷达在高速公路隧道衬砌质量检测中的应用，主要在于雷达的工作原理。
作为一种准确性强的无损设备，在检测的高效易得上，在进行高速公路隧道衬砌检测中，对于其二次衬砌厚度与衬砌前后空洞的存在与否，有很强的适应性与灵敏性。
且由于在高速公路隧道的施工现场，对其所分布的钢筋与初支钢架等，都能进行有效的质量监测。
本文对于探地雷达在高速公路隧道衬砌质量检测中心的应用做相关阐述与说明，以供读者参考。
关键词:工作原理；衬砌质量；雷达检测；二次衬砌厚度1.探地雷达工的作原理探地雷达的工作主要在于其发射天线的运作。
雷达主频电磁脉冲波106106～109Hz，属于高频电磁波。
当发射天线发射出的电磁波，在高速公路隧道衬砌中的混凝土介质中传播时，如果隧道背面有缺陷，会体现在电磁波走势的不同和引起反射图形态的区别。
这时，通过分析这些变化，就可以准确得出高速公路隧道衬砌的厚度与混凝土中缺陷的分布情况。
这样的原理是基于所有的电磁波在指定的介质中传播的速度是一样的，通过对探地雷达发射天线的发射波时间，与接收天线收到的入射波时间差，就可以得到以下公式：H = V ΔT/2（cm）(1)其中V = C /1 (2)H：目标层厚度;V：电磁波在介质中的传播速度;C：电磁波在大气中的传播速度，约3×108m/s;：介质相对介电常数。
探地雷达的电磁波反射信号会产生振幅，它的大小范围，会与其电磁波的反射系数成正比的关系。
当一种低损耗的介质主要由位移电流作用时，其反射系数r下面公式可得：r=（1-2）/（1+2）(3)1：界面上介质的相对介电常数2：界面下介质的相对介电常数。
其中，探地雷达的反射信号强弱就由1（界面上介质的相对介电常数）与2（界面下介质的相对介电常数）两者相差值决定，当差值越大，则其反射信号就强。
而雷达波它所能穿透的介质深度，是由其雷达天线的主要频率与该介质的本身导电性决定的。
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使用探地雷达进行隧道质量检测, 不仅检测速 度极高, 而且精度很高, 数据处理方便, 满足铁路施 工规范的检测精度要求, 取得了很好的监督检查作 用。探地雷达操作简单, 性能良好, 使用安全可靠, 具 有很好的推广应用价值。
参考文献
[ 1 ] 杨天存, 吕绍林, 王齐仁. 探地雷达检测道路厚度结构 的应用现状及进展[J ]. 工物探与化探, 2003.
98
相位和幅度发生变化, 由此可确定衬砌厚度和发现
施工缺陷。电磁波遇到以传导电流为主的介质, 比如
衬砌中存在的钢筋, 会出现全反射, 接收到的能量非
常强, 在雷达剖面上显示强异常, 以此可确定钢筋分 布情况。
表 1 常用材料的介电常数
介
电导率 介电常数 速度
衰减系数
质
(S m )
空气
0
纯水
10- 4～ 3×10- 2
[ 2 ] 李大心. 探地雷达方法与应用[M ]. 北京: 地质出版社, 1994.
[ 3 ] 李大心. 地球物理综合应用与解释 [M ]. 武汉: 中国地 质大学, 1999.
[ 4 ] 胡仁东. 地质雷达在高速公路建设中的应用[J ]. 公路, 1999 (12).
收稿日期: 2006207205. 作者简介: 范 忠, 工程师; 长春, 中铁十三局集团第五工程 有限公司 (130031).
心频率的3 倍。为使记录波形更完整, 取采样率为中 心频率的 6 倍, 采用连续测量工作方式。
3 应用实例
3. 1 工程概况 某隧道长 20. 05 km , 隧道埋置深度达 1 100 m ,
穿越地质条件极其复杂 (该区域内褶皱和断裂构造 均较为发育、节理较发育) , 隧道穿越地区地下水丰 富, 主要由断层泥砾和碎裂岩石等组成, 松散破碎, 风化严重。 3. 2 现场测试
0. 01 0. 01～ 1 0. 01～ 1
0. 01
6. 4
0. 12
3～ 5 0. 12～ 0. 18
2 探测方法研究
2. 1 天线频率的选择 雷达天线根据探测目标, 可按下式计算天线中
心频率 f
f = 150 X Ε 式中, X 为空间分辨率 (m ) ; Ε为介质的相对介电常 数。
2. 2 时窗W 的选择
W
=
1.
3×
2dm ax V
式中, dmax 为主要探测深度 (m ) ; V 为介质中电磁波 的传播速度 (m n s)。 2. 3 采样率的选择
采样率是记录反射波采样点之间的时间间隔, 按尼奎期特采样定率, 采样速度至少要达到无线中
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对介电常数为1, 最小; 水的相对介电常数为81, 最大
(见表1)。电磁波由空气进入二衬的混凝土层, 会出
现强反射 (对应地面, 并且由于空气中电磁波传播速
度较快, 这时的地面对应的是负相位) ; 同样, 当电磁
波由二衬传播至初衬, 继而由初衬传播到岩层时, 如
果交界处贴合不好, 或存在空隙, 亦会导致雷达剖面
(3) 空洞 由于混凝土、围岩与空气的电性差异较大, 当电 磁波在混凝土与空气、空气与围岩中传播时, 会产生 强反射界面, 上下 2 个界面 2 次反射, 在雷达剖面图 上就会呈现“双曲线”状反射异常, 这就说明存在空 洞或裂隙。 (4) 不密实体 回填不密实, 就会有多个界面对电磁波多次反 射。如果雷达剖面图上出现零乱、不连续的强反射能 量团块 (条带) 状异常, 那就是衬砌层或回填层中的 不密实处。 隧道衬砌内衬砌层或回填层中的不密实 的。 (5) 测试结果 检测断面总衬砌厚度约为 800 mm 左右, 初期 支护层厚度约为 300 mm 左右, 2 次衬砌厚度约为 500 mm 以上, 衬砌的个别部位存在轻微的脱空和 不密实。 为了确保雷达测试数据的准确性, 在采用雷达 测试以后, 针对此次雷达测试的断面进行了钻孔取 芯检测, 测试该断面的初期支护层厚度平均为 330 mm 左右, 2 次衬砌厚度平均为550 mm。印证了该次 雷达检测的有效性。
相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言, 通 常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流 为主的低损耗介质。在这类介质中, 反射系数和波速 主要取决于介电常数
Χ= Ε1 -
Ε2 v = c
Ε1 v 为速度; Ε为相对介电常数; c
为光速, 下角标 1、2 分别表示上、下介质。 空气的相
现场测试采用加拿大 P lu s EEKO 1000 探地雷 达, 所用天线为地面耦合式一体化天线。 雷达检测 时, 发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴, 沿测线滑 动, 由雷达仪主机高速发射雷达脉冲, 进行快速连续 采集。
现场测试的具体步骤如下: (1) 天线选型 针对本次隧道衬砌检测的具体情况, 主要从分 辨率、穿透力和稳定性 3 个方面综合衡量, 选择了 900 M H z 天线。9 00 M H z 天线分辨率较高, 能够发 现二衬间存在的缺陷, 确定钢筋分布, 估计二衬厚 度。 (2) 记录参数的确定 在选定测量天线后, 进行了记录参数选取试验。 根据现场调试分析结果, 确定主要参数为 900 M H z 天线的时间窗 (记录长度) 为 15 n s; 采用 9 点分段增 益, 由浅至深线性增益; 采用连续检测方式。 (3) 检测测线布置 按上述参数利用 900 M H z 天线对隧道进行了 现场检测, 隧道侧墙上的测线设置裂缝前后 3 m , 高 度 3 m 的范围内。 3. 3 检测分析 (1) 混凝土衬砌 混凝土与围岩存在一定的电性差异。 混凝土与 围岩密贴时, 在雷达剖面图上, 第 1 组连续性较好、 能量较强的反射波组, 对应了密实混凝土衬砌层, 如 是复合式衬砌则有 2 层连续性好、能量较强的反射 波组, 它们分别与 2 次衬砌、初期支护相对应。 (2) 格栅拱架 钢筋对电磁波产生连续点状强反射信号。 电磁 波遇混凝土内钢筋格栅拱架, 在雷达剖面图上就会 呈垂直线状的强反射信号特征。
关键词: 隧道衬砌; 地质雷达; 检测
1 雷达工作基本原理
地质雷达 (Gm und Penetm t ing bda r, 简称GPR ) 依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作, 电磁 波脉冲由发射天线发出, 被地下介质介面 (或埋藏 物) 反射, 然后由接收天线接收。
探地雷达由一体化主机、天线及相关配件组成。雷 达工作时, 向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲, 电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或 散射, 探地雷达接收并记录这些信号, 再通过进一步的 信号处理和解释即可了解地下介质的情况。
新鲜水
5×10- 4
冰
花岗岩 (干)
10- 8
花岗岩 (湿)
10- 3
砂 (干)
10- 7～ 10- 3
混凝土
沥青
(相对值) [m ·(ns) - 1 ] (dB·m - 1)
1
0. 3
0
81
0. 033
0. 1
81
0. 033
0. 1
3. 2 5 7
4～ 6
0. 17 0. 15 0. 1 0. 15
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探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用
范 忠
(中铁十三局集团第五工程有限公司)
摘 要: 受诸多因素影响, 隧道衬砌混凝土可能会出现不够密实、不够厚等工程质量问题。为了及时发现隧道衬砌
砼的质量问题, 可利用具有快速高效、分辨率高的地质雷达法沿测线扫描检测。 探地雷达因其高精度的分辨率, 快速 的检测方法而迅速的在各个工程行业得到了推广。 针对实际隧道工程地质雷达的应用及其原理的论述。 为类似的工 程检测提供一个实用的参考及借鉴。