雷达在评价隧道衬砌质量中的功能

叶建

【摘要】雷达作为一种无损检测手段在工程实体质量检测中的应用已非常广泛，由于其快捷、精准、环保，无损等独特的性能，被铁路乃至其它行业用作评价隧道衬砌施工质量优劣的一种常用方法。本文通过解析在陕西省高速铁路工程前水峪隧道的一些工程实例，向相关从业人员展示了该技术在隧道衬砌检测中的应用情况，以图片形式直观地展示了衬砌结构的内部构造，如衬砌厚度，钢筋或拱架间距，混凝土密实性能等等，工作人员通过简单易辨的图片便可以了解衬砌的施工质量，为全方面控制施工质量提供了有力的技术保障，为缺陷整改提供了准确的依据。另为从事和研究该项工作的学者提供了一些有价值的参考文献。

【关键词】雷达无损检测；衬砌质量；雷达图形

【中图分类号】U452【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）04-0179-03

1.前言

雷达探测技术从发现至今，走过了将近100多年的历程，共经历了三个阶段。第一阶段，试验阶段，第二阶段，实用化阶段，第三阶段，完美和提高阶段。我国探地雷达的研制工作起步较晚，于上个世纪70年代中期，开始成立研究小组着手研发。进入新世纪，随着我国铁路网的规划建设、技术标准的稳步提高和科技人才储备量的增加。基础工程建设也进入了一个高速发展阶段，各色各形的隧道工程日益增多，且大长型隧道成为铁路建设中的主流工程。随之而来的是质量控制问题。传统的钻芯法对隧道厚度、完整性的质量问题进行检测由于其频度低、速度慢、造价高、工期长、代表性比较差以及破坏性较大因此逐渐被验收人员不再作为首选。而无损检测雷达技术的应用，在一定程度上解决了这一长期困扰投资方的技术问题。成功案例越来越多，检测人员的队伍日见强大，检测技术水平日趋完善，投资方完全相信雷达技术在衬砌质量检测中的应用是成功的。今后，建设各方将继续采用这一技术对隧道衬砌实体进行质量评价和控制。

2.工作原理

地质雷达（GroundPenetratingRadar）是用发射天线将高频电磁波（1MHz～2.5GHz）以宽频带短脉冲形式送入介质内部，利用不同岩体的波阻抗不同和分界面对电磁波反射原理对探测目标进行成像，该方法能十分清楚的显示探测面前方一定范围内的岩石、空洞、水体不均匀的分布情况。同时，探地雷达探测技术具有精度高、环境适应性很强，抗干扰能力强、操作方便，探测速度快的特点，已经成为浅层探测和工程质量检测中最为有效的手段，是其它地球物理方法无法比拟的一种高科技技术。在进行探测工作时，地质雷达向地下发射高频电磁波在被探测体内部传播时会发生不同程度的衰减，遇到不同介电常数的介质分界面时就会发生反射，反射波被探测表面天线接收极接收。通过处理分析所采集到的反射波的频率、幅度和相位等信息，便可得到不同介电常数介质的性质、属，以及反射面的深度和分布范围。反射界面的深度可由公式D=V*Dt/2=C*Dt/2(xr?)求得。（C为电磁波在空气中的介电常数，Dt为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间，xr为介质的相对介电常数值）。地质雷达工作原理如图1所示：（与工程隧道地质雷达有关的一些介质的相对介电常数见表1所示）：

3.雷达采集参数设定

为同时满足深度和精度的要求，我们配备了600MHz和900MHz两种频率的天线，在衬砌检测中以900MHz天线为主，其最深探测深度可以达到1.2米，可以较清楚的分辨出大于12cm的脱空层；天线采用垂直无测量轮模式，采集方式为连续；通过同条件养护试件的波速测定，确定衬砌混凝土的介电常数为11；有速度计算公式得出波速为0.09m/ns，有波速计算出时窗长度为30ns，采用点数为545个；扫描速度为512扫/s；行进速度小于4km/h。

4.雷达在隧道实体质量检测中评价指标

4.1工程概况

前水峪隧道全长7195m，起止里程为DK267+025~274+220，设计辅助坑道为2座，共计8个工作面，每个面平均承担掘进任务为899m，设计为单线双车道。隧道属构造沉积中低山地貌，地质情况单一，进口表层第四系风积黄土，呈松软结构，下伏白垩系砂岩，岩质较软，节理裂隙较发育，隧道出口洞身地层为黏质老黄土，及砂质新黄土，呈松散结构。全隧以Ⅳ～Ⅴ级围岩为主，局部为Ⅲ级围岩。

4.2检测前准备及工作流程

检测单位应根据业主相关文件或规范制定检测方案，随后的工作严格按照方案执行。检测前应进入现场进行安全技术培训，所有参与人员必须熟知安全操作规程，确保采集工作高质高效完成。根据规范通常要求，衬砌检测应布置五条测线，分别位于拱顶、左右拱腰、左右边墙，并应提前在两侧边墙标注里程标记，每50米标注一全标，10米标注一简标，5米标注一小标。随后清除道路上或衬砌面上的全部障碍物，并记录下来综合洞室或影响判译结果的一切情况。

工作流程为：现场探勘→技术交底→安全教育培训→作里程标记→焊接检测台架→数据采集→波速测定及资料收集→数据分析→异常判译与验证→检测报告→整改回复→复检。

雷达技术用于衬砌质量评价的主要指标包括：衬砌厚度、结构内钢筋或拱架间距、混凝土密实性。

4.3对衬砌厚度的评价

隧道衬砌混凝土厚度的分布情况是工程验收最重要的指标之一。厚度是否满足设计要求，关系到运营后的行车安全。通过工程实例图，现在向大家展示衬砌厚度在雷达图上的展示形态。如（图2）检测里程为：DK267+320~DK267+330；设计参数为：衬砌级别为Ⅲb级，厚度为35cm，无钢筋。通过雷达图像，我们可以清楚地看到衬砌厚度最小处仅为16cm，占设计厚度的45.7%，欠厚情况严重，厚度不符合设计要求。（图3）检测里程为：DK267+535~DK267+545，设计参数为：衬砌级别为Ⅲb级，厚度为35cm，拱架间距120cm。通过雷达图像，我们可以看到衬砌最小厚度超过60cm，厚度符合设计要求。同时可以看到类似于“马鞍形”状的反射弧就是拱架，清楚的辨别出了该段布置有8.5榀拱架，经计算得拱架间距满足设计要求。经过钻芯取样后所得的结果于此基本相符。

5.结语

通过雷达在隧道衬砌质量检测中的工程实践，我得到了以下几点结论：

（1）地质雷达检测隧道衬砌混凝土的厚度、钢筋或拱架间距，混凝土密实性等一系列质量指标是有效、可行的。

（2）在工程实践中我们发现，地质雷达的优越性胜过传统的任何一种检测方法，这种方法不但效果好且准确，造价低廉、工艺简单，环保无损，不失为一种长期质量检测的重要方法。

（3）由于衬砌内部结构的复杂性，介电常数是一个概值，所以存在较大的误差。

（4）通过改变天线的频率，可以更好的辨别探测目标体，有助于提高检测精准度。

（5）雷达检测结果只能代表检测位置衬砌质量的优劣，不是全隧全方位衬砌质量优劣的体现。

参考文献

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