地质雷达在铁路隧道检测中的应用及典型图像分析

景 胜

（福州铁建工程质量检测有限公司，福建福州350014）

·隧道与建设工程·

地质雷达在铁路隧道检测中的应用及典型图像分析

景 胜*

（福州铁建工程质量检测有限公司，福建福州350014）

采用地质雷达进行铁路隧道衬砌质量检测，不仅具有快捷、准确的特点，而且还能进行实时处理与显示。总结了温福铁路（福建段），福厦铁路及赣龙铁路扩能改造工程（福建段）隧道衬砌检测的情况，以隧道常见的典型雷达数据为工程实例，浅谈地质雷达在铁路隧道工程中的应用，说明地质雷达可以及时、准确、客观地反映隧道衬砌病害情况，从而为施工单位早期制定方案、整治处理，消除工程隐患提供科学依据。

地质雷达；隧道工程；衬砌质量；典型图像

1 概述

高速铁路对隧道衬砌质量的要求随着时速的提高，质量要求更加严格。近年来高速铁路隧道工程向深埋、长大方向不断地发展，对后期病害的检测和整治带来很多困难。如何在施工过程中发现问题，进行全面的整治，保证隧道质量的耐久性和后期运用安全，在施工过中采用地质雷达对隧道衬砌质量进行检测，是一项重要手段。

2 探测原理

地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术[1]。其利用一个天线向地下发射无载波电磁脉冲，另一天线接收由地下不同介质界面反射回波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性（如介电常数Er）以及目标体几何形态的不同而发生变化，根据接收到的回波信息，可探测地下地层结构特征和埋藏的目标体[2-4]。地质雷达的工作原理见图1。脉冲波的旅行时间见（1）式：

图1 探测原理示意图

式中：t——脉冲波走时，ns；

z——反射体埋深，m；

x——收发天线间距离，m；

v——雷达脉冲的波速，m/ns。

探测目标层深度的计算公式见（2）式：

式中：Z——反射体法的深度，m；

t1——第一次脉冲走时，ns，1ns＝10-9s；

隧道检测时地质雷达发射天线在隧道衬砌表面向其内部发射频率为数百兆赫兹的高频电磁波，当电磁波遇到不同界面时会发生反射及透射，反射波返回衬砌表面，又被接收天线所接收（所用的天线为收发合一的屏蔽天线）。此时，雷达主机记录下电磁波从发射到接收的双程旅时Δt，而电磁波在衬砌内传播的速度V可由已知衬砌厚度段（避车洞）等测定出来，由（3）式求出反射面的深度即衬砌厚度。

在地质雷达法勘探中，电磁波通常被近似为均匀平面波。其传播速度在高阻媒介中取决于媒质的相对常数εr，即电磁波在遇到不同媒质界面时的反射系数R由（4）式计算：

由此可知，电磁波的反射系数取决于界面两边媒质的相对介电常数的差异，差异越大，反射系数也越大。在隧道衬砌厚度的检测中，主要涉及到媒质有混凝土、钢筋、空气、水和围岩，其物性差异[5]如表1所示。

表1 常见物质的相对介电常数

从表1中可以看出，隧道内所涉及到的这几种媒质物性差异较大，会形成较强大反射，比如，当衬砌内有脱空都会产生十分强烈的反射，物性的明显差异正是地质雷达法检测隧道衬砌质量的前提条件。

3 检测工作实施

3.1 仪器设备

仪器采用美国GSSⅠ公司生产的SⅠR-3000型地质雷达仪，采用100MHz、400MHz及900MHz收发单置屏蔽天线。采用100MHz天线做连续测量，时窗范围：50～100ns，采样率：512sam/can，扫描率：16scn./s；采用400MHz天线做连续测量，时窗范围：30～50ns，采样率：512sam/can，扫描率：64scn./s；采用900MHz天线做连续测量，时窗范围：20～30ns，采样率：512sam/can，扫描率：64scn./s。

3.2 测线布置

测线布置一般在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙及隧底左右中线各布置一条连续测线[1]，共7条测线。拱顶测线位于隧道中线处，左右拱腰测线位于左右衬砌起拱线处；左右边墙测线位于隧底上方0.5m处。

4 数据处理与解译

4.1 原始数据处理流程

先将数据传送到计算机上，然后用RANDN软件切除首尾废段，按5m标记对记录进行水平均衡，调整测量方向保持一致，零点校正，水平、垂直滤波，识别界面及有效信号，输入介电常数，拾取衬砌厚度界面，最后存入Excel表格绘图并打印。数据处理与解释流程如图2所示。

图2 数据处理与解释流程图

4.2 数据解释原则

⑴初衬砌界面的判识。在地质雷达图像的上部，一般振幅较强，同轴同相比较连续的第一组波形为衬砌界面反射信号。界面判识后输入正常的介电常数值，即可由计算机自动计算出衬砌厚度值，厚度的计算公式见（5）：

⑵衬砌混凝土缺陷及钢筋钢架判识衬砌背后回填密实度的主要判定特征符合如下要求：

密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号；

不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散；

空洞：衬砌界面反射信号强，三振相位明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时差较大；

钢架：分散的月牙形强反射信号；

钢筋：连续的小双曲线弧形反射信号。

5 典型图像分析

5.1 衬砌界面追踪

图3为赣龙铁路扩能改造工程某隧道局部地段拱顶的雷达检测剖面，横坐标为隧道里程，单位采用m，纵坐标时间，单位为ns。采用400MHz天线进行探测。时间窗为35ns。该二次衬砌设计厚度为40cm。采用追踪算法对二次衬砌进行层位追踪，其追踪结果如图2所示。从剖面图中可知界面线清楚。

图3 衬砌界面剖面图

5.2 钢筋分布

图4为赣龙铁路扩能改造工程某隧道局部地段的拱顶钢筋分布雷达检测剖面，坐标与图3相同。采用400MHz天线进行检测。该段设计围岩等级为Ⅴ级，衬砌为钢筋混凝土衬砌，主筋间距20cm。图中双曲线弧形反射信号为钢筋反映显示。根据设计要求，每2标记间(标记间隔5m)应布置25根，实际检测与设计相符。

图4 钢筋分布剖面图

5.3 拱架分布

图5为赣龙铁路扩能改造工程某隧道局部地段的左侧边墙拱架分布雷达检测剖面，坐标与图3相同。采用400MHz天线进行检测。该段设计围岩等级为Ⅳ级，初期支护采用拱架加强，间距0.8m，图中月牙弧形反射信号为拱架反映显示。根据设计要求，每2标间(标记间隔5m)应布置6榀，从图5中可以清晰地反映出拱架的实际施工数量，实际检测与设计相符。

图5 拱架分布剖面图

5.4 脱空

铁路隧道衬砌质量检测过程，通过对温福、福厦、赣龙铁路隧道脱空的分析，发现常见脱空主要有2种情况。一种为施工接缝处的三角形空洞，空洞具体位置见图6。在雷达数据中通过解译表现出的特征如图7所示。另一种常见脱空为衬砌界面之间的脱空。即初期支护与围岩之间的脱空、初期支护与二次衬砌之间的脱空。图8为赣龙铁路扩能改造工程某隧道局部地段拱顶雷达检测剖面，坐标与图3相同。采用400MHz天线进行检测。该段设计围岩等级为Ⅲ级，设计二次衬砌混凝土厚度35cm。图8中解译雷达数据所反映的异常体为层间脱空。

图6 空洞位置示意图

5.5 衬砌厚度

图7 空洞剖面图

图8 空洞剖面图

图9为某隧道局部地段左侧拱腰处雷达检测剖面图，坐标与图3相同。采用400MHz天线进行检测。该段设计围岩等级为Ⅲ级，设计二次衬砌混凝土厚度35cm。图中解译雷达数据所反映衬砌界面清楚。局部位置二次衬砌厚度不足35cm。图中1和2处在现场分别进行了打钻验证。1位置二次衬砌混凝土厚度仅为10cm。2位置二次衬砌混凝土厚度仅为15cm。现场第一时间进行了注浆处理。

图9 衬砌厚度剖面图

6 结束语

地质雷达检测技术的关键在于现场数据的采集和后期数据的解译分析判断。在隧道工程衬砌质量检测过程中，特别是在解译分析衬砌混凝土厚度，衬砌内的空洞大小及埋深、钢筋和拱架的分布间距等是否满足设计。具有科学、准确、快捷的特点。地质雷达为早期及时发现衬砌质量问题，进行整治，实时监督，确保隧道工程质量提供了科学的依据。

地质雷达因探测原理本身的多解性，建议现场抽取部分缺陷位置进行打孔验证。可以有效提高解译结果的精度。

[1]TB10223—2004铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京：中国铁道出版社，2004.

[2]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[3]郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道工程学报，2002，(2)：71-74.

[4]赵永贵.工程地球物理检测疑难问题研究进展[J].地球物理学进展，2003,18(3)：368-36.

[5] 蒲会申.铁路隧道衬砌质量检测与评价地质雷达技术使用手册[M].北京：地质出版社，2006.

TheApplication and Typical ImageAnalysis of Ground Penetrating Radar in the Detection of Railway Tunnel

JING Sheng
(Fuzhou Railway Construction Engineering Quality Testing Co. Ltd，Fuzhou Fujian 350014，China)

The quality inspection of railway tunnel lining by ground penetrating radar has the characteristics of quick,accurate, but also can be real-time processing and display.In Summing up the tunnel lining quality inspection situation of Wenfu Railway(Fujian section),FuXia railway and Ganlong railway expansion renovation project(Fujian section),taking the common typical tunnel radar data as a project case,the paper discusses the application of ground penetrating radar in railway tunnel engineering,and illustrates that the ground penetrating radar can timely,accurately and objectively response to tunnel lining disease situation,so then provide scientific basis for construction unit to make early plans,to repair and to eliminate hidden dangers.

ground penetrating radar；tunnel engineering；lining quality；typical image

U456.3

A

1004-5716(2015)04-0188-04

2014-04-08

2014-04-09

景胜（1984-），男（汉族），甘肃通渭人，注册岩土工程师，现从事隧道雷达检测及TSP203超前地质预报方面的研究工作。