1、地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌工程檢測中的應(yīng)用摘要: 針針對鐵路路隧道施施工中可可能出現(xiàn)現(xiàn)的質(zhì)量量問題,利用地地質(zhì)雷達(dá)達(dá)技術(shù)進(jìn)進(jìn)行隧道道工程質(zhì)質(zhì)量檢測測。針對對鐵路隧隧道,給出地地質(zhì)雷達(dá)達(dá)在無損損檢測應(yīng)應(yīng)用中的的工作方方法,包括測測線布置置、采集集參數(shù)設(shè)設(shè)定、現(xiàn)現(xiàn)場檢測測和后期期資料處處理解釋釋。通過過對現(xiàn)場場數(shù)據(jù)處處理分析析,可以精精確探測測襯砌厚厚度,確定鋼鋼筋及格格柵鋼架架的分布布位置及及數(shù)量,查明襯襯砌背后后特別是是拱頂存存在的空空洞和回回填不密密實(shí)區(qū)域域。使用用地質(zhì)雷雷達(dá)對隧隧道混凝凝土襯砌砌結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行檢測測,實(shí)踐證證明技術(shù)術(shù)方法是是切實(shí)可可行的前言地質(zhì)雷達(dá)法法以其無無損性、高高效率、高高分辨率

2、率等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn),正逐漸漸成為地地下隱蔽蔽工程調(diào)調(diào)查的一一種有力力工具,現(xiàn)已廣廣泛應(yīng)用用于工程程地質(zhì)勘勘察、建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)調(diào)查、無無損檢測測、水文文地質(zhì)調(diào)調(diào)查、生生態(tài)環(huán)境境等眾多多領(lǐng)域。隨隨著交通通事業(yè)的的發(fā)展,隧道的的大量建建設(shè),隧道病病害也屢屢見不鮮鮮。應(yīng)用用地質(zhì)雷雷達(dá)檢測測隧道襯襯砌,在鐵路路、公路路部門中中已經(jīng)普普遍展開開。應(yīng)用用地質(zhì)雷雷達(dá)進(jìn)行行隧道襯襯砌檢測測已有很很多研究究。檢測測內(nèi)容主主要包括括:隧道襯襯砌的厚厚度、隧隧道襯砌砌背后回回填物的的密實(shí)狀狀態(tài)、隧隧道襯砌砌背后與與圍巖的的脫空區(qū)區(qū)域、圍圍巖的狀狀態(tài)及其其地下水水向隧道道侵入的的通路等等方面。由由于高頻頻電磁波波在介質(zhì)質(zhì)中的高高

3、衰減性性,使得該該方法的的應(yīng)用受受到一定定的限制制。地質(zhì)質(zhì)雷達(dá)的的檢測效效果不僅僅與地質(zhì)質(zhì)雷達(dá)本本身的技技術(shù),還與較較多影響響因素相相關(guān),因而使使得實(shí)際際工程中中很多檢檢測效果果并沒有有達(dá)到預(yù)預(yù)期的目目的。因因此,有必要要分析影影響應(yīng)用用地質(zhì)雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)檢測效效果的主主要因素素,解決地地質(zhì)雷達(dá)達(dá)在隧道道檢測中中的有關(guān)關(guān)技術(shù)問問題,以便進(jìn)進(jìn)一步提提高檢測測水平。1地質(zhì)雷雷達(dá)檢測測隧道襯襯砌目的的隧道襯砌的的質(zhì)量檢檢測主要要包括:隧道襯襯砌厚度度，隧道襯襯砌背后后未回填填的空區(qū)區(qū)，復(fù)合式式襯砌中中兩層襯襯砌間較較大的空空段，施工時(shí)時(shí)坍方位位置及坍坍方的處處理情況況，襯砌混混凝土回回填密實(shí)實(shí)度。有有

4、時(shí)還可可檢測圍圍巖中地地下水向向隧道侵侵入的位位置。近幾年來采采用探地地雷達(dá)來來做主要要檢測手手段的越越來越多多。這是是由于與與其它方方法相比比，作為為沿測線線作掃描描檢測的的探地雷雷達(dá)工作作效率較較高。用用探地雷雷達(dá)在全全隧道噴噴錨初期期支護(hù)完完成后作作一次全全面檢測測也是必必要的，也也應(yīng)當(dāng)進(jìn)進(jìn)一步推推廣使用用以提高高噴射混混凝土質(zhì)質(zhì)量。襯砌混凝土土強(qiáng)度的的現(xiàn)場檢檢測，目目前常采采用回彈彈儀法、超超聲+回彈法法、瑞利利面波波波速法等等。2隧道襯襯砌質(zhì)量量的檢測測原理與探空或通通訊雷達(dá)達(dá)技術(shù)相相類似，探探地雷達(dá)達(dá)也是利利用高頻頻電磁脈脈沖波的的反射探探測目的的體及地地質(zhì)現(xiàn)象象的，只只是它是是從

5、地面面向地下下發(fā)射電電磁波來來實(shí)現(xiàn).探測的的，故亦亦稱之為為地質(zhì)雷雷達(dá)。探探地雷達(dá)達(dá)是通過過天線將將脈沖雷雷達(dá)波發(fā)發(fā)射入被被測物體體，由接接收天線線接收不不同物理理性質(zhì)物物體的界界面反射射的雷達(dá)達(dá)波，據(jù)據(jù)此進(jìn)行行探查。實(shí)測時(shí)將探探地雷達(dá)達(dá)的發(fā)射射和接收收天線密密貼于襯襯砌表面面，雷達(dá)達(dá)波通過過天線進(jìn)進(jìn)入混凝凝土襯砌砌中，遇遇到鋼筋筋、鋼質(zhì)質(zhì)拱架、材材質(zhì)有差差別的混混凝土、混混凝土中中間的不不連續(xù)面面、混凝凝土與空空氣分界界面、混混凝土與與巖石分分界面、巖巖石中的的裂面等等產(chǎn)生反反射，接接收天線線接收到到反射波波，測出出反射波波的入射射、反射射雙向走走時(shí)，就就可計(jì)算算出反射射波走過過的路程程長度

6、，從從而求出出天線距距反射面面的距離離D（圖1）。圖1 雷雷達(dá)探測測原理示示意圖D=Vt/22式中： DD 為天天線到反反射面的的距離；t 為雷雷達(dá)波從從發(fā)射至至接收到到反射波波的走時(shí)時(shí)，用ns (納秒計(jì))，1 nns=110-99秒；V 為雷雷達(dá)波的的行走速速度，可可以用幾幾何光學(xué)學(xué)的概念念來看待待直線傳傳播的雷雷達(dá)波的的透射和和反射。V=C0/1/22其中，C00為雷達(dá)達(dá)波在空空氣中的的傳播速速度30ccm/nns；為介電常常數(shù)，由由波所通通過的物物質(zhì)決定定。即物體中的的雷達(dá)波波速由其其介電常常數(shù)決定定。 如空氣氣的=1，水水的=800，混凝凝土的在614之間間。實(shí)際際上，雷雷達(dá)波之之所以

7、會會在物體體界面產(chǎn)產(chǎn)生反射射，是因因?yàn)榻缑婷鎯蓚?cè)物物質(zhì)介電電常數(shù)不不同。雷達(dá)天線可可沿所測測測線連連續(xù)滑動動，所測測的每個(gè)個(gè)測點(diǎn)的的時(shí)間曲曲線可以以匯成時(shí)時(shí)間剖面面圖像。從從一個(gè)測測點(diǎn)的反反射波時(shí)時(shí)間曲線線上去判判別哪一一個(gè)波反反映什么么是困難難的，但但多個(gè)測測點(diǎn)資料料匯成的的時(shí)間剖剖面，各各測點(diǎn)接接收到的的同一反反射面的的反射波波匯成一一定圖像像，就能能直觀地地反映出出各種不不同的反反射面。例例如，一一個(gè)與測測量平面面近于平平行的反反射面，如如襯砌的的外緣面面，在時(shí)時(shí)間剖面面上就是是與時(shí)間間0基線近近于平行行的線；襯砌與與巖體交交界面的的起伏（反反映了襯襯砌厚薄薄變化）表表現(xiàn)為有有起伏的的圖

8、像；鋼質(zhì)拱拱架的反反射圖像像可能是是一雙曲曲線，在在彩色或或黑白灰灰度的圖圖上也可可能呈現(xiàn)現(xiàn)一個(gè)個(gè)個(gè)圓點(diǎn)；突入襯襯砌中的的小塊巖巖石、襯襯砌背后后的空洞洞、兩層層襯砌間間的空隙隙則多呈呈雙曲線線圖像。根根據(jù)這些些圖像即即可辯別別不同的的物體。時(shí)時(shí)間剖面面圖像是是探地雷雷達(dá)成果果的基本本圖件，其其橫座標(biāo)標(biāo)為測點(diǎn)點(diǎn)位置，縱縱座標(biāo)為為雷達(dá)波波反射時(shí)時(shí)?？梢砸杂煤诎装撞ㄐ蛨D圖像（波波形圖變變面積黑黑白顯示示）、黑黑白灰度度顯示、彩彩色色塊塊顯示等等形式制制圖。3檢測工工作方法法技術(shù)每座隧道沿沿隧道拱拱部軸向向檢測5條測線線：拱頂頂、左拱拱腰和右右拱腰、以以及左邊邊墻和右右邊墻?？蛇x用的雷雷達(dá)有多多種，

9、根根據(jù)需要要探測的的深度來來選定天天線的頻頻率。頻頻率高的的天線發(fā)發(fā)射雷達(dá)達(dá)波主頻頻高、分分辨率高高，但探探測深度度淺；頻頻率低的的天線發(fā)發(fā)射雷達(dá)達(dá)波主頻頻低、分分辨率低低，但是是探測深深度大。若若選用4505000MHzz的工作作天線，它它的波長長約為2030ccm，檢測測厚于2030ccm的襯砌砌厚度有有足夠的的分辨率率，并可可達(dá)到2cm左右的的探測精精度，可可探測約約2.55m深，適適合檢測測復(fù)合襯襯砌和隧隧道仰拱拱；為探探測深于于35m的坍方方情況，則則需改用用1002000MHzz天線；對于采采用地質(zhì)質(zhì)雷達(dá)發(fā)發(fā)做隧道道超前預(yù)預(yù)報(bào)則適適宜使用用更低頻頻率的天天線。雷達(dá)檢測時(shí)時(shí)，需將將發(fā)

10、射和和接收天天線與隧隧道襯砌砌表面密密貼，沿沿測線滑滑動，由由雷達(dá)儀儀主機(jī)高高速發(fā)射射雷達(dá)脈脈沖，進(jìn)進(jìn)行快速速連續(xù)采采集。為為此，需需使用工工作臺架架，便于于將天線線舉起密密貼襯砌砌。為保保持工效效，天線線沿測線線以5kmm/h 左右的的速度滑滑動。為為此，在在卡車車車廂上或或鐵路平平板車上上用鋼管管搭架并并鋪木板板制成工工作平臺臺。雷達(dá)達(dá)每秒發(fā)發(fā)射2030個(gè)脈沖沖，若檢檢測時(shí)天天線的行行走速度度為1m/s（3.66km/h），則則每米有有測點(diǎn)2030個(gè)；若若天線的的行走速速度為1.55m/ss(5.4kmm/h)，則每每米測線線有測點(diǎn)點(diǎn)1522個(gè)。雷達(dá)時(shí)間剖剖面上各各測點(diǎn)的的位置要要和隧道道

11、里程相相聯(lián)系。為為保證點(diǎn)點(diǎn)位的準(zhǔn)準(zhǔn)確，在在隧道壁壁上每5m或10m作一標(biāo)標(biāo)志，標(biāo)標(biāo)上里程程。當(dāng)天天線對齊齊某一標(biāo)標(biāo)記時(shí)，由由儀器操操作員向向儀器輸輸入信號號，在雷雷達(dá)記錄錄中每5m或10m作一里里程標(biāo)記記。內(nèi)業(yè)業(yè)整理資資料時(shí)，根根據(jù)標(biāo)記記和記錄錄的首、末末標(biāo)及工工作中間間核查的的里程，在在雷達(dá)的的時(shí)間剖剖面圖上上標(biāo)明里里程。圖4 在在在建隧隧道中用用鋪設(shè)防防水板的的全斷面面工作臺臺架作檢檢測（用裝載機(jī)機(jī)牽引）4探地雷雷達(dá)的資資料處理理與解釋釋4.1資資料處理理和編錄錄整理以以及設(shè)計(jì)計(jì)資料的的匯集現(xiàn)場采集的的數(shù)據(jù)要要經(jīng)過濾濾波、去去噪、均均衡等處處理，打打印成時(shí)時(shí)間剖面面圖。時(shí)時(shí)間剖面面圖是用用

12、來作判判釋和計(jì)計(jì)算的基基本圖件件，需要要精心制制作。1km的測線線，圖紙紙連接起起來約有有1520m長，打打印這些些圖紙的的時(shí)間往往往要長長于現(xiàn)場場采集的的時(shí)間。為了使圖紙紙的計(jì)算算與實(shí)際際里程相相符，必必須在圖圖紙上標(biāo)標(biāo)注里程程及5或10m的間隔隔標(biāo)記，并并要將一一些特殊殊情況，如如電氣化化線路隧隧道中的的錨節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位置、隧隧道中的的變截面面位置、燈燈或通風(fēng)風(fēng)機(jī)位置置等標(biāo)于于圖上。對隧道襯砌砌質(zhì)量作作檢測和和評價(jià)，還還必須掌掌握該隧隧道的設(shè)設(shè)計(jì)情況況，如圍圍巖分類類、設(shè)計(jì)計(jì)參數(shù)、施施工方法法和步驟驟等，特特別是長長隧道，地地質(zhì)復(fù)雜雜，設(shè)計(jì)計(jì)參數(shù)變變化多，有有時(shí)還由由不同單單位分段段施工，掌掌握

13、這些些資料，對對探查資資料判釋釋和隧道道質(zhì)量評評價(jià)很有有必要。而而熟悉和和掌握這這些資料料和情況況又需要要檢測人人員下工工夫去研研究。4.2 資料處處理及判判釋：4.2.1處理理步驟：原始雷達(dá)波形記錄圖5 數(shù)據(jù)據(jù)處理與與解釋流流程圖4.2.2檢測若若采用波波形黑白白灰度顯顯示形式式打印雷雷達(dá)時(shí)間間剖面圖圖，資料料判釋時(shí)時(shí)應(yīng)在計(jì)計(jì)算機(jī)屏屏幕上調(diào)調(diào)出彩色色時(shí)間剖剖面圖作作對比。從從圖件標(biāo)標(biāo)記起每每一步驟驟均需2000%復(fù)核、檢檢查，實(shí)實(shí)際上從從制成時(shí)時(shí)間剖面面圖起需需經(jīng)歷約約10道工序序，每道道工序均均需仔細(xì)細(xì)地研究究時(shí)間剖剖面圖，打打印時(shí)間間剖面圖圖受打印印機(jī)打印印速度限限制，資資料處理理及判釋

14、釋與現(xiàn)場場準(zhǔn)備及及采集時(shí)時(shí)間比約約為4：1到5：1。4.2.33 介電電常數(shù)（）的確定我檢測中心心檢測介介電常數(shù)數(shù)的確定定常采用用反演法法，即由由公式計(jì)計(jì)算。其其中C為光速速（C0.33m/ns），t雙程旅旅時(shí)（nns），D是已知知厚度值值（m）。通過對已知知厚度的的部位（隧隧洞口）標(biāo)標(biāo)定，確確定適合合隧道二二襯混凝凝土的相相對介電電常數(shù)值值。4.3 資料的的解釋原原則 二襯砌砌界面的的判識在探地雷達(dá)達(dá)圖像的的上部，一一般振幅幅較強(qiáng)，同同軸同相相比較連連續(xù)的第第一組波波形為襯襯砌界面面反射信信號。界界面判識識后輸入入正常的的介電常常數(shù)值，即即可由計(jì)計(jì)算機(jī)自自動計(jì)算算出襯砌砌厚度值值，厚度度的計(jì)

15、算算公式為為。 鋼拱架架位置及及判識在地質(zhì)雷達(dá)達(dá)圖像中中，電磁磁波遇到到鋼筋時(shí)時(shí)產(chǎn)生極極強(qiáng)的反反射，反反射波的的位置為為鋼筋距測試面面的距離離（背水水面保護(hù)護(hù)層厚度度）；通通過濾波波處理，確確定各里里程段鋼鋼筋拱架架分布情情況及背背水面保保護(hù)層厚厚度。 襯砌混混凝土缺缺陷及位位置判識識由于襯砌混混凝土與與空氣的的相對介介電常數(shù)數(shù)的差異異較大，所所以探地地雷達(dá)圖圖像中表表現(xiàn)為振振幅較強(qiáng)強(qiáng)的界面面反射信信號（多多次波），所所以空洞洞的明顯顯特征就就是有強(qiáng)強(qiáng)烈的多多次反射射，波從從相對介介電常數(shù)數(shù)大的物物質(zhì)（CC20混凝土土為8左右）進(jìn)進(jìn)入相對對介電常常數(shù)小的的物質(zhì)（空空氣為1）中時(shí)時(shí)，根據(jù)據(jù)波動原

16、原理，在在上界面面處會先先疊加為為負(fù)波， 可在雷達(dá)圖像中準(zhǔn)確拾取界面反射的雙程旅時(shí)，根據(jù)公式求得缺陷的位置；襯砌不密實(shí)可能是由于混凝土離析振搗造成的，從波形特征與空洞的反射相似，但反射很弱；混凝土中有鋼筋時(shí)也會產(chǎn)生反射，波從相對介電常數(shù)小的物質(zhì)（C20混凝土為8左右）進(jìn)入相對介電常數(shù)大的物質(zhì)（鋼筋為）中時(shí)，根據(jù)波動原理，在上界面處會先疊加為正波。對于復(fù)合襯襯砌隧道道,當(dāng)?shù)谝灰淮我r砌砌與第二二次襯砌砌之間存存在空隙隙時(shí),界面上上讀取的的厚度值值為隧道道的二次次襯砌厚厚度，若若二者密密貼良好好，則為為一、二二次襯砌砌合值；對于非非復(fù)合襯襯砌隧道道,該界面面上讀取取的厚度度值即為為隧道的的襯砌厚厚度

17、值。5. 雷達(dá)達(dá)探查的的典型圖圖象1.襯砌砌界線混凝土襯砌砌、噴射射混凝土土與圍巖巖（或其其間空區(qū)區(qū)中的空空氣）有有明顯的的介電常常數(shù)差，因因此在時(shí)時(shí)間剖面面圖上，襯襯砌底面面和巖石石之間有有明顯的的界線。雷雷達(dá)發(fā)射射的直達(dá)達(dá)波延續(xù)續(xù)4個(gè)周期期以上，012nns左右的的目標(biāo)物物的反射射波均與與它相疊疊。雷達(dá)達(dá)的直達(dá)達(dá)波呈現(xiàn)現(xiàn)幾條平平直的水水平同相相軸的圖圖像，而而圍巖開開挖總有有或大或或小的不不平，故故襯砌底底界，即即它與圍圍巖的分分界面的的反射波波同相軸軸一般為為有起伏伏的非直直線圖像像，這是是很易辨辨認(rèn)的。噴噴射混凝凝土與模模筑襯砌砌介電常常數(shù)有差差別，但但不是很很大，它它們之間間若接觸觸

18、很好或或粘結(jié)，則則可能沒沒有明顯顯的反射射波或僅僅有微弱弱的反射射波。如如果噴射射混凝土土中有鋼鋼質(zhì)拱架架和鋼筋筋網(wǎng)，則則由于它它們可強(qiáng)強(qiáng)烈地反反射雷達(dá)達(dá)波，故故可看到到連續(xù)的的綿延的的反射圖圖像。圖6 某隧隧道雷達(dá)達(dá)剖面圖圖圖6中由于于混凝土土與圍巖巖的介電電常數(shù)差差異明顯顯我們能能很好的的分辨不不同介質(zhì)質(zhì)的分界界面。2.拱架與與鋼筋網(wǎng)網(wǎng)在地質(zhì)雷達(dá)達(dá)圖像中中，電磁磁波遇到到鋼筋時(shí)時(shí)產(chǎn)生極極強(qiáng)的反反射，反反射波的的位置為為鋼筋距測試面面的距離離（背水水面保護(hù)護(hù)層厚度度）；通通過濾波波處理，確確定各里里程段鋼鋼筋拱架架分布情情況及背背水面保保護(hù)層厚厚度。圖7 混凝凝土中布布置的鋼鋼筋網(wǎng)圖7中由于

19、于鋼筋的的界電常常數(shù)為，圖中中可見連連續(xù)的小小雙曲線線反射，這這是鋼筋筋網(wǎng)的代代表性反反射圖。圖8 典典型的格格柵鋼架架反射圖8中兩標(biāo)標(biāo)距之間間為100米，每100米的鋼架架為9榀達(dá)到到了設(shè)計(jì)計(jì)要求。3. 襯砌砌混凝土土缺陷混凝土內(nèi)部部缺陷包包括欠密密實(shí)、脫脫空等現(xiàn)現(xiàn)象，欠欠密實(shí)其其表現(xiàn)為為波形雜雜亂且不不連續(xù)的的反射波波形。圖9 復(fù)合合襯砌與與圍巖間間的不密密實(shí)帶圖10某隧隧道仰拱拱部位混混凝土中中出現(xiàn)的的不密實(shí)實(shí)區(qū)圖10 脫脫空圖11 鋼鋼拱架后后出現(xiàn)的的空洞異異常6.提高檢檢測精度度的措施施 詳詳細(xì)了解解檢測區(qū)區(qū)間物理理狀態(tài)襯砌層物理理狀態(tài)的的變化直直接影響響到雷達(dá)達(dá)波的變變化，影影響因

20、素素主要是是含水量量的變化化、檢測測面平整整度、襯襯砌層砼砼材料配配比變化化、襯砌砌層結(jié)構(gòu)構(gòu)變化。隧隧道檢測測有許多多條測線線，分若若干次檢檢測，每每條檢測測的襯砌砌層物理理狀態(tài)變變化情況況并不完完全一致致，這就就需要較較為詳細(xì)細(xì)地了解解設(shè)計(jì)資資料、隧隧道的施施工記錄錄，同時(shí)時(shí)在檢測測過程中中還要做做好外業(yè)業(yè)記錄(如滲水水、平整整度等)。只有有這樣才才能根據(jù)據(jù)客觀情情況，有有針對性性地對地地質(zhì)雷達(dá)達(dá)資料進(jìn)進(jìn)行合理理的分析析。合理布置置取芯點(diǎn)點(diǎn)位影響檢測精精度的主主要問題題是標(biāo)定定的地質(zhì)質(zhì)雷達(dá)的的電磁波波速度，根根本問題題是不同同區(qū)間介介質(zhì)物理理狀態(tài)的的變化，實(shí)實(shí)質(zhì)問題題是介電電常數(shù)的的變化。當(dāng)當(dāng)使用地地質(zhì)雷達(dá)達(dá)進(jìn)行隧隧道檢測測時(shí)，合合理布置置用于標(biāo)標(biāo)定雷達(dá)達(dá)波速的的取芯點(diǎn)點(diǎn)位，對對襯砌層層在不同同物理狀狀態(tài)下的的雷達(dá)波波速進(jìn)行行分別統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，并并分析雷雷達(dá)波速速的變化化規(guī)律，有有效控制制因雷達(dá)達(dá)波速的的誤差帶帶來的探探測偏差差或較大大誤差。注意區(qū)分分多次反反射信號號襯砌層厚度度相