地质雷达在某公路运营隧道检测中的应用

肖 正

(中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 511458)

1 引 言

地质雷达是一种新兴的地球物理勘探方法，目前广泛用于国内隧道工程、基础设施和路基检测等方面。对于浅层地下结构，埋藏物以及人造结构的成像具有良好效果。地质雷达通过天线向地下发射一系列宽频带高频电磁波，在介电常数差异较大的介质界面发生反射、透射和折射。而反射回的电磁波被接收天线接收后，由雷达主机记录反射回的电磁波的运动特征，处理后形成全断面的扫描图，该图像可以判断地下目标物的实际结构情况。刘安、张国权和康富中等人针对已经存在问题的隧道，利用地质雷达对隧道进行了检测，在查明隧道衬砌缺陷等病害问题方面进行了成功应用。陈文涛、景胜等基1于地质雷达探测结果对典型雷达图像的解释和判别进行了分析研究。张家鸣基于现场的探测结果对于如何提高检测效果等方面提出了部分建议。地质雷达经过50年的发展技术已经相对成熟，随着数据处理技术的进一步提升它也将扩展到更多的应用领域。

2 探测方法

2.1 工程概况

大庙峡隧道位于G106线(双向四车道、一级公路)佛冈县境内，于1996年建成通车。隧道为南北向单洞双线隧道，隧道正线365 m，辅线484 m。隧道埋深约70 m，路面净宽8 m，高7.2 m。设计围岩为Ⅲ～Ⅳ级，模注衬砌C25混凝土，墙身厚度60 cm。由于隧道位于发育的节理、裂隙及断层接触带中，地下水加剧了风化作用，造成衬砌背后、隧道脱空。该隧道运营时间较长，不仅隧道衬砌和路面存在不同程度的裂缝和破损，而且以渗漏水现象表现的最为严重。为避免隧道病害进一步发育给行车安全带来隐患，利用地质雷达查明隧道衬砌背后缺陷的位置、深度和大小，为评估隧道的结构安全稳定性和隧道的病害治理及改造提升提供资料依据十分必要。

2.2 数据采集与处理

(1)测线布置

隧道衬砌地质雷达检测，采用抽查方式进行，一般常规检测设置5条测线，分别布置在拱顶、左、右拱腰和左、右边墙。依据检测内容，双线隧道需沿轴向布设7条测线，增加了隧底的两条测线，地质雷达检测测线布置情况见测线布置示意图。

测量前沿隧道轴线用喷漆每隔10 m标好里程桩号，便于天线通过时及时、准确地进行标记。由于该公路隧道不属于长隧道，每条测线均进行一次性连续扫描探测，拱腰和拱顶借助升降车进行测量。

图1 地质雷达测线布置示意图

(2)参数设定

地质雷达要求目标体和周围介质在介电常数上要有足够的电性差异。地质雷达不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大，但是分辨率会降低；频率越高，能量衰减越快，探测深度越浅，分辨率会提高。故隧道衬砌检测时需要选择与探测深度要求相应的高频天线，频率范围一般为400～900 MHz。在隧道内检测，需采用屏蔽天线，其工作原理如图所示。雷达根据测得的雷达波走时，求得反射物的深度和范围。

图2 地质雷达探测原理示意图

电磁波信号的穿透深度与岩土体的电导率有关，电导率越高则探测深度越浅。结合现场探测精度和深度，选用世界上先进的瑞典MALA ProEx型探地雷达，天线选用500 MHz屏蔽天线。采样频率7 500 MHz，低截频取155，高截频取755，采集时窗50 ns。采用距离触发探测方式，有效检测深度为2 m，检测精度和深度可满足衬砌厚度要求。

表1 部分天线在岩体中的理论探测深度

当有反射体存在时，雷达只记录电磁波双程走时。为了准确了解反射体的埋深，还必须知道电磁波在该介质中的传播速度。依据经验，电磁波在混凝土中的传播速度为0.10～0.11 m/ns，也可通过已知目标物的深度用以下公式计算出准确波速。

式中：V为电磁波在介质中的传播速度；H为已知目标物的厚度；t为电磁波的双城旅行时。

(3)数据后处理

地质雷达图像以电磁脉冲反射波的形式记录各种信息，一般以灰度图的形式作为地质雷达的剖面图。地质雷达整个数据后处理过程包括两部分，即数据处理和图像的解释判别。地下复杂的地质条件对发射波有滤波作用，地下介质会对发射波产生不同程度的吸收。并且由于地下介质一般具有非均匀性，导致接收天线接收到的反射波波幅减小，因而发射波和反射波存在较大的差异，如图3所示。此外，环境中的各种噪音也会对波形产生干扰，影响实测数据的真实性。因此，一般对接收到的波形信号进行合适的滤波处理，采用合适的图像信噪比，便于后期对资料中的各种异常现象进行识别和解释。

图3 发射波与反射波波形对比图

数据处理的主要内容是滤波，对干扰信号的去除，从而在雷达剖面图上突出各种有用信号，便于后期解释探测结果。利用Reflexw软件对实测的每一条剖面单独进行处理，主要步骤依次为：静校正切除、DC去直流漂移、增益、水平信号去除、频率域滤波、滑动平均和距离归一化等七个步骤。将灰度图调节合适的对比度以便于分析，通过地质雷达时间剖面和深度剖面图即可对隧道缺陷的位置进行判断。

3 雷达剖面图分析

雷达剖面图中所表现出的各种反射信号代表不同的地下条件。对于隧道衬砌检测，主要包括几种信号：反射信号弱且连续的为密实部位；反射信号表现为强反射且杂乱的区域为欠实部位；反射信号表现为强反射且呈条带状或三角形状态为脱空位置；反射信号为连续且规律的月牙形强反射为钢筋网，而单月牙信号则为钢拱架。

3.1 衬砌缺陷

(1)脱空

脱空现象是指由于衬砌和围岩或初支之间结合不紧密而产生的缝隙、空洞，其产生的原因主要有隧道施工时衬砌墙后填充浇筑不密实而形成的空洞。此外在隧道运营过程中由于衬砌老化等原因产生变形，使得衬砌和初支及围岩间产生脱离而产生的空洞和孔隙。

对于这类埋深较浅的隧道，受自然条件因素影响较大，长期的风化作用容易导致围岩产生空洞和孔隙。而且地表水也对本隧道衬砌脱空造成了十分巨大的影响，水作用易使围岩的风化和侵蚀作用加强，围岩风化物极易被水携带走而形成空洞。同时水对衬砌的侵蚀作用易使衬砌老化，特别是衬砌中欠实的位置，这也是本隧道中大部分的欠实位置处又伴随有不同程度脱空现象的原因。

脱空在雷达图像上表现为强反射信号，一般呈带状长条形或三角形分布，三振相明显，通常在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

图4(a)是由正线隧道测线C截取的一部分，在里程K2342+127～K2342+129范围内有一长条状反射异常，同时在里程K2342+130～K2342+131范围内反射信号紊乱，说明该段拱顶为脱空和欠实共存病害。图4(b)是辅线隧道测线D的一部分，在里程K2342+150～K2342+152范围存在异常强反射，右拱腰衬砌在此处发育空洞，深度范围为60～70cm，说明此处为初支和围岩之间产生的空洞。

图4 隧道典型脱空(部分)

(2)欠实

衬砌欠实是指衬砌内混凝土回填不密实而产生的小的缝隙、小空洞。其产生的原因主要有隧道衬砌施工时的不密实和裂缝，如施工缝不密实等。此外，隧道运营过程中受水的浸蚀、地质应力作用及混凝土老化等因素影响，而产生的隧道衬砌开裂、变形或穿孔等现象。以上情况均可能引发隧道衬砌变形和渗漏水等病害。图5为隧道局部雷达剖面图，检测结果表明这些位置为典型的欠实现象。

图5 隧道典型欠实(部分)

欠实部位的雷达界面反射信号为强反射，但一般不连续，表现出错断和杂乱等现象，一般区域化分布。图5(a)是由测线F截取的一部分，整体上波形紊乱，表明正线右侧仰拱在里程K2342+160～K2342+170内衬砌存在大范围欠实。图5(b)是测线D的一部分，在里程K2341+872附近存在异常反射信号，说明辅线右拱腰衬砌在此处发育欠实和空洞，深度范围为30～50 cm。

地质雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号。准确识别干扰波及目标体的一些图像特征是进行雷达图像解释的核心内容。基于设计、施工图纸和雷达图像的正演结果对图像进行解释。从雷达检测结果分析，隧道衬砌存在大范围的欠实和脱空。隧道主线以左、右两侧边墙和右侧仰拱情况较为严重，辅线以右拱腰和左、右仰拱较为严重。根据雷达剖面图，共发现衬砌缺陷246处，其中欠实110处，脱空73处，其余为欠实和脱空共存缺陷。欠实量一般在20～40 cm之间，欠实位置一般在衬砌10～50 cm厚度范围。脱空量一般在10～30 cm之间，脱空位置一般在衬砌20～50 cm厚度之间。

3.2 衬砌厚度

数据处理完毕通过拾取层操作，判定初支与围岩之间的界限。依据上述雷达图像得知所检位置衬砌厚度大部分在45～60 cm之间，最大厚度为75 cm，最小厚度为32 cm。衬砌厚度较薄的位置发育空洞，但未发现穿孔现象，衬砌厚度基本满足要求。隧道衬砌整体完整性较好，未发现大的崩裂、坍塌和穿孔等现象，衬砌整体结构尚属完整。衬砌强度较好，未发现隧道衬砌存在结构性的破坏情况，整体安全性较高。

4 缺陷治理

4.1 隧道渗漏水

对于隧道渗漏水，应在全隧道边墙脚每隔4～5 m以89 mm直径钻孔作为泄水孔，钻孔内安装透水管，钻孔深度至少应打入围岩2 m，并将软管引至排水沟。对于水量大的部位泄水孔的间隔可适当加密至2～3 m，对于衬砌裂缝渗漏水严重的位置应在裂缝左、右两侧约20 cm处各打一泄水孔。对整治后仍有少量出水的部位，可采用封堵的方式，机械切槽后用遇水膨胀密封胶或防水涂料等进行封堵。

4.2 衬砌与围岩治理

对于衬砌内部缺陷，应在欠实位置压注水泥浆，脱空位置压注水泥砂浆进行充填。由于大部分位置为欠实和脱空共存的缺陷，因而只注水泥砂浆，注浆时先注稀浆，后逐渐改为稠浆。

由于衬砌背后围岩也有部分松动和松散，注浆孔需要打入围岩约50 cm后进行注浆。注浆时先注下部注浆孔，后注上部注浆孔，以保证混凝土的完整性和密实性。此外，需从无水位置向有水位置注浆，从水少的部位向水多的部位注浆，便于水的汇集和引排。

5 结 论

(1)地质雷达能广泛应用于各类隧道的衬砌质量检测，能有效查明衬砌厚度和缺陷等病害的发育情况和位置，具有无损、便捷、精度和分辨率高等优点。

(2)隧道脱空和欠实等病害受施工期间混凝土浇筑不密实的影响，同时运营时间较长的隧道受地质和水的侵蚀作用易导致背后岩土体风化流失产生空洞和裂缝。

(3)运营隧道衬砌病害主要表现为严重的隧道渗漏水现象，在病害治理方面的主要措施为边墙钻孔引排水和缺陷部位注浆。