祝兴远（廊坊市中铁物探勘察有限公司河北廊坊065000）
摘要：针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题,利用地质雷达术进行隧道工程质量检测。岩土工程介质的电磁学特性决定了应用地质雷达的效果,介质的电磁学性质可用介电数、磁导率和电导率3个参数来表征。地质雷达技术探测是一种利用广谱电磁波确定不同介质分布的探测方法。针对铁路隧道,给出地质雷达在无损检测应用中的工作方法,包括测线布置、采集参数设定、现场检测和后期资料处理解释。通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,确定钢筋及钢架的分布位置及数量,查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域。使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测,实践证明技术方法是切实可行的。
关键词：地质雷达;无损检测;隧道;混凝土衬砌;工程质量
地质雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)技术是一种基于电磁波反射原理,用于浅层地质构造探测和工程质量检测的地球物理方法。地质雷达技术可用于场地勘察[1]和工程质量检测(包括隐蔽工程结构物)两大主要领域[2-4]。场地勘察包括：工程场地勘察、铁路与公路路基状态探查、基岩风化层探查、地下水探查、地下溶洞和人工洞室探测等。工程质量检测包括：铁路和公路隧道衬砌、高速公路路面及路基、机场跑道等质量检测和工程结构检测。针对隧道混凝土衬砌常见的质量问题：衬砌背后回填不密实、衬砌厚度不足、渗漏水、局部裂缝和钢筋布置不足等,利用地质雷达技术进行隧道无损检测,可以达到如下目的：1)探测隧道衬砌背后可能存在的空洞、回填不密实点的位置及范围;2)探测混凝土初衬和二次衬砌厚度;3)探测混凝土衬砌内钢筋及钢格栅的分布;4)探测二次衬砌混凝土内裂缝;5)探测层间积水。
1探测基本理论1.1岩土工程介质的电磁学特性雷达探测的基本原理：使用电磁波穿透工程介质,当存在电磁波阻抗差异界面时,电磁波发生反射,根据反射波的走时及介质的电磁学性质确定介质结构。介质的电磁学性质可用介电常数、磁导率和电导率三个参数来表征。介质的介电常数主要受介质成份、含水性和孔隙率的影响。空气是自然界中电阻率最大、介电常数最小,电磁波波速最高,衰减最小的介质;水是自然界中介电常数最大,电磁波速最低的介质;干燥的岩石、土和混凝土等高阻介质相对介电常数在4~9间,属中等波速介质。各类岩石和土具有不同的孔隙率和饱水程度,导致较大的电磁学性质差异,主要表现在介电常数和电导率变化方面。
1.2地质雷达探测基本原理地质雷达技术是一种利用广谱(1MHz~1GHz)电磁波确定不同介质分布的探测方法。它用一个天线发射高频率、宽频带短脉冲电磁波,另一个天线接收来自介质界面的回波信号,如图1所示。电磁波在介质中传播时,能量会因介质吸收而发生衰减,在介质不均匀时还会发生电磁波的散射、反射和干涉。因此利用电磁波传播规律,根据接收到的旅行时间(亦称双程走时)、幅度和波形等资料,探测介质结构、构造和埋设物。
常见的岩土工程介质为非磁介质,在地质雷达频率范围内,有如下雷达脉冲波速度计算公式。
由式(4)可以看出,界面两侧介电常数的差异决定了反射系数的大小决定了雷达反射能量的强弱。因此,存在介电常数的差异是应用地质雷达的先决条件。
对于铜铁等金属良导体来说,当雷达波从介质入射到导体表面时,由于存在较大的电磁性差异,必然产生反射现象。从电磁波传播理论可知,当垂直入射时,其反射系数(即反射能量与入射能量的比)为(5)
从式(5)可以看出：若使用的金属材料的电导率R越大,其反射系数越大。对于理想导体,→,反射系数为1,即理想导体对垂直入射的电磁波不消耗能量,全部能量被理想导体表面反射回去。由于金属材料对雷达波具有很强的反射能力,所以在隧道衬砌结构中钢筋及钢格栅的分布和密度可使用地质雷达技术进行检测。
2隧道无损检测2.1隧道测线布置方式开展地质雷达无损检测工作首先需要针对检测对象的不同,合理布置检测工区测线。对于场地和三维体探测(如岩溶、空洞等),要求在二维空间布置覆盖目标体的测线,即在x和y两个方向上进行测线布置。而对于铁路、公路、地铁隧道工程,需要根据检测精度的要求,在隧道环向合理布置各检测部位纵向测线,同时沿隧道纵向辅以一定间隔的环向测线为补充。
2.2天线及采样时窗的选择采用400MHz天线,重点在于检测衬砌回填情况及衬砌厚度,采样时窗选为40~50ns,采样深度在2m左右。
2.3现场检测工作[6]1)现场检测要保证雷达天线密贴混凝土衬砌表面行进,打码标记位置准确无误。
2)现场要记录测线编号、方向、标记间隔以及天线类型等;随时记录现场干扰电磁波传播的物体(如电缆、铁架和避车洞等)及其位置。
2.4数据处理和分析由于地下介质相当于一个复杂的低通滤波器,所激发的脉冲电磁波反射回地面是被拉长和衰减的雷达子波,这样从地下各层介质先后反射回的反射波叠加后,模糊了各层反射波的出现时间、能量和极性等重要的地质因素,需要对采集的雷达数据进行处理,确定地下介质的分布。数据处理的目的是抑制随机的和有规律的干扰,最大限度提高雷达剖面上的分辨能力,提取电磁反射波的各种有用参数,来解释不同介质的物理特征。如利用各种反褶积技术,可以达到压缩雷达子波,提高分辨率的目的;利用地震资料中的偏移处理方法可以对数据元进行偏移归位处理。对于雷达检测数据处理,常用的处理步骤及其功能如下：1)背景去噪用以抑制随机干扰噪声,提高信噪比;2)自动增益或手动控制增益用来补偿介质吸收和抑制杂波;3)滤波处理和时频变换用来去除高频或突出目的体,以降低背景噪声和多次波的影响。
3典型雷达分析3.1衬砌单层钢筋与双层钢筋区别为某铁路隧道局部地段顶部的雷达检测剖面,采用400MHz天线进行探测。该段隧道衬砌层设计为双层钢筋。采由图2可知,单层钢筋和双层钢筋在雷达图像上清晰可辨。
3.2钢架反射为某铁路隧道局部地段的拱腰雷达检测剖面,采用400MHz天线进行检测。该段衬砌设计初支中包含有钢拱架，双曲线弧形反射信号为钢拱架反映显示。根据设计要求,每2标间(标记间隔5m)应布置5榀钢拱架,实际检测为5榀,钢拱架布置符合要求。
3.3脱空的雷达探测为某隧道的拱顶探测结果。由于空气与混凝土的介电常数差异较大，所以衬砌背后若有明显的空隙或空洞（脱空）时，地质雷达会有明显的强反射。在图像中表现为衬砌界面反射信号很强，三振相特征明显。从探测结果来看,拱顶的局部地段出现脱空现象。
4结语采用将地质雷达无损检测,可以将施工中存在的各种质量隐患排除在建设施工阶段。随着该项技术的推广,从野外数据采集到后期的数据处理和解释水平不断地提高和完善,地质雷达探测技术将会在隧道工程质量检测领域具有广阔的发展空间。