地质雷达在隧道衬砌无损检测中的应用分析

曾生臻

(福建省高速公路达通检测有限公司，福州 350000)

近年来， 随着我国交通行业的不断发展及公路路网的普及，越来越多的隧道正在建设、建成进而投入到运营当中，伴随而来的是隧道二次衬砌质量问题层出不穷。由于隧道二次衬砌为隐蔽性工程， 目前对于衬砌中的缺陷多采用地质雷达进行检测， 然地质雷达检测结果受到雷达仪器设备、检测方法、检测人员水平及经验等方面的影响。如何采用地质雷达进行现场检测及波形的分析，对隧道衬砌的缺陷特征进行量化表示， 对后续缺陷整治及隧道工程实体质量起着至关重要的作用。 本文通过分析隧道无损检测的重要性、 总结工程实际过程中隧道衬砌无损检测中存在的若干问题及其具体应用进行分析， 为隧道缺陷整治及后期的隧道运营维护管养提供一定的建议和参考。

1 地质雷达在隧道衬砌无损检测中的重要性

由于隧道工程的众多分项、 分部工程在建成后多属于隐蔽工程，且检测工程体量庞大，想要通过破坏性检测的方法进行全面的检测不仅不现实， 更会破会隧道总体结构的完整性。如隧道衬砌建成后想要探究衬砌的厚度、背后空洞密实情况、钢筋及钢支撑分布情况时，必须通过无损检测的方式对其进行全面检测， 目前对于衬砌中的缺陷情况多采用地质雷达进行检测， 地质雷达通过发送和接收电磁波的形式， 可以实现在对隧道衬砌本身没有任何伤害和破坏的情况下， 对隧道的衬砌结构进行数据采集，并通对数据分析，准确掌握隧道衬砌的内部质量情况。 地质雷达这种无损检测的方式不但采集的数据准确而且所使用的仪器在资金的投入上属于一次性投入，因此是隧道衬砌质量检测的不二选择。 在隧道建设施工过程中可在衬砌混凝土施工完成后及时对其进行地质雷达扫描检测，采集其内部缺陷情况，以便及时采取缺陷整治措施。对于已经投入运营的隧道工程，亦可通过地质雷达对隧道衬砌结构进行扫描检测， 为隧道运营维护管养提供一定的建议和参考依据。

2 地质雷达在隧道衬砌无损检测中存在的若干问题

地质雷达在隧道衬砌无损检测中发挥的巨大作用是毋庸置疑的，但这不是说这种检测方法就是通俗易懂，无可挑剔的了。 为了对隧道衬砌的所有状况有更加准确的把握，在使用地质雷达检测技术时要对检测的准确度、图像的直观性、后续软件的处理能力、检测人员的能力和经验等密切关注。 通过实践经验总结检测过程中存在的主要问题呈现如下。

2.1 地质雷达在隧道衬砌中传播速度受影响的问题

地质雷达对隧道衬砌的检测主要是通过电磁波来完成的，然电磁波的传播速度主要取决于传播介质，传播介质的差异会导致电磁波的波速产生较大的波动， 导致对衬砌厚度的检测精度出现较大的偏差。 因此在检测过程中， 对电磁波的波速的认定不能仅依靠操作者的经验来进行，而是要对目标介质进行标定，进而得到目标介质的波速和介电常数。

2.2 地质雷达在隧道衬砌空洞范围的探测问题

衬砌空洞范围的探测是地质雷达检测技术的难点，地质雷达对隧道衬砌空洞的形状及尺寸做出精确的测量和判断还存在较大的难度。 这方面的问题除了需要在地质雷达技术上加以提高改进外， 还应从检测方法中加以改善，如对存在空洞的目标体进行网格化扫描检测，判定区脱空范围，提高检测精度。

2.3 地质雷达在检测过程中的衬砌表层钢筋后部情况不易识别问题

由于地质雷达所使用的电磁波在钢筋中的传播速度为0(钢筋的介电常数无限大)，电磁波传播到钢筋表面无法对其进行穿透。衬砌内部钢筋较密，入射波在钢筋网上产生强反射，透射能力弱，且钢筋的绕射波阻碍了对钢筋后部情况的识别，造成钢筋网后部的衬砌界面不易识别，单、双层钢筋网不易判别。建议可以通过改变天线的移动方向，提高电磁波的透射能力。

3 地质雷达在隧道衬砌检测中的案例应用分析

对福建省某在建高速公路的多座隧道进行地质雷达检测， 现从地质雷达在隧道衬砌的厚度方面， 衬砌的空洞、脱空方面，初期支护中钢支撑数量及间距方面，二次衬砌中钢筋分布情况等4 个方面分别列举一些雷达典型波形进行分析。

3.1 地质雷达在隧道衬砌的厚度方面探测分析

地质雷达对衬砌厚度的识别是通过电磁波在传播过程中，由一种介质进入到另一种介质时，介质的介电常数发生变化才能接收到反射信号。 反射信号的强度主要取决于上下介质的介电常数差值，介电常数差值越大，反射信号越强；介电常数无差异，则不发生反射。

电磁波在入射过程中逐渐损失高频信号， 而剩下的低频信号的叠加将导致波形图的视周期变大， 衬砌厚度的判断可以根据视周期的变化来判别和区分雷达图像所表征的不同厚度层。 同一材料(介电常数)的厚度层中，其波形的视周期基本一致。

通过对该隧道ZK96+380～ZK96+625 段落的拱顶、左右拱腰、左右边墙共5 条线进行地质雷达连续扫描检测，按照业主要求二衬厚度值检测结果以5 m 间距取一个值进行统计并进行汇总，二衬厚度实测250 个点，合格236个点，合格率为94.4%。 隧道二次衬砌雷达检测厚度成果见表1。

图1 为某隧道二次衬砌厚度典型雷达图像， 其隧道二次衬砌与初期支护的分界面反射信号清晰。

3.2 地质雷达在隧道衬砌的空洞、脱空等方面探测分析

当隧道衬砌混凝土中存在空洞或者脱空的情况时，空洞或者脱空的空腔内一般情况下都是空气， 如果是含水较多的隧道，空腔内也有可能是水。衬砌混凝土的介电常数一般是在6～9，空气的介电常数为1，水的介电常数为81， 当地质雷达产生的电磁波从衬砌混凝土中传播到空洞时，介电常数发生较大的变化，反射信号强，三振相明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时程差较大。

表1 某隧道二次衬砌雷达检测厚度成果

图1 隧道二次衬砌厚度典型雷达图像

当空洞的空腔内是空气时， 电磁波从混凝土传播到空气，介电常数从大到小，反射波的相位不会发生变化；当当空洞的空腔内是水时，电磁波从混凝土传播到水，介电常数从小到大，反射波的相位会变为反向。

图2 为某隧道二衬(素混凝土) 空洞典型雷达图像，ZK107+880～ZK107+882 拱顶部位二次衬砌施工缝处形成的倒三角形空洞，长度约2 m(素混凝土)，现场将二衬破除后(图3)测得所检测部位的二衬厚度为20cm，背后空洞深度约为26cm，衬砌空洞模型见图4。

图2 二衬(素混凝土)空洞典型雷达图像

图3 现场衬砌破除验证图

图4 衬砌空洞模型

图5 为某隧道二衬(钢筋混凝土) 空洞典型雷达图像，ZK109+138～ZK109+140 拱顶部位二次衬砌钢筋背后形成的倒三角形空洞，长度约2 m(钢筋混凝土)，二衬混凝土厚度最薄处约为10 cm。

图6 为某隧道二次衬砌与初期支护之间脱空典型雷达图像，YK101+315.5～YK101+326.5 隧道拱顶部位二次衬砌与初期支护之间形成的连续脱空区域(长度约11 m)，衬砌脱空模型见图7。

图5 二衬(钢筋混凝土)空洞典型雷达图像

图6 二次衬砌与初期支护之间脱空典型雷达图像

图7 衬砌脱空模型

图8 为某隧道二次衬砌大面积空洞典型雷达图像，YK101+530.3～YK101+534 隧道拱顶部位二次衬砌背后形成大面积的空洞(长度约3.7 m)，造成二次衬砌混凝土厚度最小值只有约10 cm 厚， 二衬混凝土设计厚度为35 cm。 衬砌大面积空洞模型见图9。

3.3 地质雷达在隧道初期支护中钢支撑数量及间距方面探测分析

隧道初期支护中钢支撑数量及间距的检测时， 需要采用测距轮模式进行地质雷达数据的采集。 由于电磁波在钢筋中的传播速度为0， 钢支撑的介电常数无限大，且钢支撑间距一般都相对较大，电磁波信号传播到钢支撑时，在雷达波形图上的反应就是分散的月牙形强反射信号。

图8 二次衬砌大面积空洞典型雷达图像

图9 衬砌大面积空洞模型

图10 为某隧道初期支护中钢支撑典型雷达图像，ZK101+480～ZK101+490 隧道左边墙部位初期支护中钢支撑数量为10 榀，平均间距为1.00 m，该段落钢支撑设计数量为10 榀，设计间距为1 m。

3.4 地质雷达在隧道二次衬砌中钢筋分布情况的探测分析

电磁波在钢筋中的传播情况同在钢支撑中类似，只是钢筋尺寸较小，且钢筋分布较密集，所以钢筋在雷达波形图上的反应就是连续的小双曲线形强反射信号。

图10 初期支护中钢支撑典型雷达图像

图11 二次衬砌钢筋混凝土典型雷达图像(1)

图12 二次衬砌钢筋混凝土典型雷达图像(2)

图11～12 为某隧道二次衬砌钢筋混凝土典型雷达图像， 其中图11 的YK107+403～YK107+413 隧道右边墙部位二衬中的双层钢筋反射信号比较明显； 图12 的ZK107+705～ZK107+716 隧道右边墙部位二衬筋网后部的二次衬砌与初期支护分界面较为明显。

4 结语

在隧道的建设施工过程中，由于各方面因素的影响，二次衬砌往往会出现衬砌厚度不足、 背后出现空洞或脱空、钢筋或钢支撑间距不合格等质量问题，地质雷达因其特有的无损、便捷、高效等特点，在二衬缺陷检测中得到广泛应用。除了不断创新研发新的地质雷达产品外，更应该提高检测技术人员的技术水平和检测经验的积累，提高检测结果的准确性， 才能更加高效的为隧道工程实体质量提供保障，确保隧道的运营安全。