科技信息 ０科教前沿０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第９期 探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用 段继平林凤仙 ｆ昆明南方地球物理技术开发有限公司 云南 昆明 ６５０２３１） 【摘要】本文介绍了探地雷达在隧道衬砌质量无损检测中的原理、Ａ－法及实际应用效果，结合工程中的典型图像作出解释，说明地质雷达 能及时、快速地发现问题并为处理工程施工中的问题提供科学依据，是一种很好的无损检测方法。 【关键词】探地雷达；隧道衬砌；质量检测 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｒａｄａｒ ｉｎ Ｔｕｎｎｅｌ Ｌｉｎｉｎｇ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ＤＵＡＮ Ｊｉ－Ｐｉｎｇ ＬＩＮ Ｆｅｎｇ—Ｘｉａｎ （Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．ＬＴＤ．，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｙｕｎｎａｎ，６５０２３１，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ ｐ即ｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅ１ ｈｏｌｅ ｉｎ ＧＰＲ ｔｈｅ ｂｏｄｙ ｑｕａｌｉｔｙ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｇｈｅｏｒｙ，ｍｅｔｈｉｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｉｍａｇｅ，ｅｘｐｌａｉｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ｃａｎ ｔｉｍｅｌｙ ａｎｄ ｑｕｉｃｋｌｙ ｆｏｕｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｃｉｅｎｔｉｉｃ ｂａｓｉｆｓ．Ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ｎｏｎｄｅｓｔｕｃｔｉｒｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ；Ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ；Ｑｕａｌｉｔｙ ｔｅｓｔｉｎｇ Ｏ 引言 传统的隧道工程中质量检测大多采用钻芯取样法和目测对隧道 探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ）技术是一种针对 地下浅部目标物的电磁波反射特性，利用其介电常数差异对其进行识 别，探测其地下分布状况的地球物理勘察方法。由发射天线向地下发 的衬砌施工质量进行评价，机械的开挖和钻孔取样是最直接和原始的 射电磁脉冲，并由接收天线接收来自地下不同介质界面的反射波，根 认知隐蔽工程的直观方法，然而，机械的方法始终是有损的，不仅效率 据接收到的电磁波的走时、强度和波形等特征，可判定地下介质的物 低、代表性差，而且会对隧道衬砌结构造成破坏，降低混凝土结构强 理结构、形态及其所处的深度位置。 度，不能满足目前Ｉ］ 程检测的实际需求。客观和主观又常常要求检测 电磁波在介质中传播时，其传播特征与所通过介质的电性物理性 必须具有高效、快速、准确的无损的检测方法，因此，采用探地雷达技 质（如介电常数ｓｒ）密切相关。 术检测评价既有隧道状况，在施工阶段中对质量进行过程控制，及时 电磁波的走时为： 发现质量缺陷，使探地雷达成为施工质量监控不可缺少的手要手段。 ２一２ｔ＝ ＋Ｘ／ｖ １ 探测原理 雷达成像技术是探地雷达应用中最具有发展前途的处理方法，但 它对数据采集系统的要求最高。常用的成像算法有基于波场延拓的距 离偏移成像算法、逆时偏移成像算法、基于射线寻迹的克希霍夫积分 法和反投影法。每种算法都有其应用范围和局限性。基于快速傅里叶 变换处理的距离偏移成像算法效率高，只适用于均匀背景等空间采样 式中：ｔ一电磁波走时（ｎｓ） ｈ一目标体深度（ｍ） ｘ一发射天线与接收天线的距离（ｍ） ｖ一电磁波在介质中的传播波速（ｍ／ｎｓ） 常见的介质为非磁介质，在探地雷达的频率范围内，一般有 ： ＝ 间隔Ｆ的日标成像。逆时偏移算法是一种应用有限差分求解波动方程 ＜＜１．因此介质的电磁波速度为：Ｖｓ 实现波场延拓的方法，计算过程中完全遵循全波波动方程，它是最为 式中：Ｃ：０．３ｒｎ／ｎｓ（光速） 精确的方法。但存在稳定性和数值频散问题，同时计算量比较大。克希 ｓ．——介质相对介电常数 霍夫积分法波动方程偏移建立在波动方程克希霍夫积分解的基础上， 发射天线和接收天线相距很近时，探测目标深度的计算公式近似 把克希霍夫积分中的格林函数用高频渐进解（即射线理论解）来代替。 具体实现则是利用波动方程的零阶高频渐近近似（射线方程），因而源 为：点或接收点的几个波长以内的绕射点不能正确成像，存在焦散区。反 ＾＝ 向投影成像也是基于射线寻迹的，可以精确计算表层脱离探测模式下 利用探地雷达以上特征，可把隧道衬砌面视为雷达发射电磁波的 有耗媒质中各散射点到收／发天线的时延曲线，运算量大。由于成像算 初至界面，二次衬砌、初期支护及围岩之间都存在介电常数差异，由此 法对各散射点的处理相互，因此可采用并行算法或是在实时存储 导致它们之间会形成电磁波反射界面，以此为据可以计算出二次衬砌 的基础上进行实时成像处理。 及初期支护的喷砼厚度，利用电磁波的反射特性可识别其内部存在的 日标识别则是探地雷达信号处理中最具有挑战性的一个课题。探 缺陷。 测地域电磁环境的复杂性和埋地目标的多样性使得目标特征不变量 的确定非常困难。现有的识别算法一般是对确定已知探测区域内有限 ２工程应用实例 的多个已知目标的检测识别．或是对某一类目标的识别。可采用的方 法有基于回波相位的模板匹配和基于高阶谱的特征不变量撮。当日标 ２．１衬砌空洞 隧道在开挖中由于发生超挖、洞顶或洞壁坍塌等原因造成围岩表 的空间采样足够多时，就可以借助于探地雷达成像技术进行日标的分 面凹陷，按规范应以混凝土进行回填，施工单位为了节省材料和工时， 类识别 用片石填塞．甚至用石棉瓦垫铺在钢拱架后面，表面再敷以喷射混凝 探地雷达应用中典型介质的电磁特性 土．由于回填不密实而形成空洞。二是在二次衬砌浇筑混凝土施：Ｅ时， 介质 空气 水 相对介电常数 １ ８１ 波速／（ｍ／ｎｓ１ Ｏ－３ ０．０３３ 电导率／（ｍＳ／ｍ１ ０ ０．１－３０ 由于初期支护表面凸凹不平整和防水板敷设不密贴的影响，形成层间 结合处的空洞。尤其在拱顶部位，由于混凝土在浇筑中振捣坍落，也会 容易出现空洞。空洞的出现会造成衬砌结构不能有效密贴围岩形成共 花岗岩 白云岩 石灰岩 混凝土 ５ ６～８ ７～９ ５～１Ｏ ０．１３４ ０．１２２～０ １０６ Ｏ １ｌ３－０．１ ０．１３４～０．Ｏ９５ ０．００００ｌ 同承载的受力结构，从而加大衬砌结构的荷载，在地下水发育的区域， 空洞中赋于了水的存在还会对衬砌结构形成侵蚀。图１为一衬砌密实 的的雷达反射图，表现为二衬与初期支护间界面反射清晰，波形同相 均匀相连 图２为空洞在雷达剖面上表现为反射较强，电磁频谱杂乱， Ｏ．ｏｏ０００１ 反射波同相轴呈绕射弧形，且有多次振动波，主要是空洞中间有孔隙， 孔隙为空气或水充填后介电性质发生很大变化，导致（下转第２９８页） ２１ ２０１１年第９期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０公路与管理。 科技信息 都符合要求的前提下，最后确定的矿料级配、沥青用量以及相应的密 的视密度和毛体积密度的平均值计算出各自的综合密度后．用计算法 度作为正式生产时的标准，以保证每天生产的沥青混合料能符合要 得到。 求。 ２．４路面结构中设排水层或防水层 在相同碾压功能的情况下，沥青混合料在现场能够达到的密度度 为了尽可能减少水渗入和透过沥青面层以及提高沥青混凝土的 随矿料级配而变，只有矿料级配符合设计配合比确定的级配曲线（较 多个力学强度，减少水进入沥青混凝土内部后沥青剥落的可能性，还 小的容许误差范围内）时，才能使用当天的马歇尔试件的平均密度作 应在路面结构中设置排水层（特别在南方多雨地区），使水进得去也出 为标准密度。而每天的矿料颗粒组成试验一般仅做两次．不一定能反 得来；或者在基层顶面或面层结构中设置防水层（前者是为了防止水 映当天沥青混合料的实际矿料颗粒组成情况。用生产配合比时的马歇 冲刷基层，后者是为了防止水透人中下面层）。 尔试件密度作为标准密度，实际上可问接反映沥青混合料应有的物理 在较厚沥青面层下面的设置排水层。有时还没有来得及渗透到排 力学性质。 ２．３．３提高压实度标准 水层前，上面的沥青混凝土层就可能已开始破坏，排水层可能起不到 明显作用。防止基层受水冲刷的防水层也有同样的问题。只有在沥青 为了尽可能提高沥青混凝土面层的不透水性，可以提高沥青面层 面层较薄的情况下，排水层和防水层才能明显地减轻甚至消除水破 的压实度。表面层的压实度应不小于９８％，中面层或底面层就小于 坏。 ９７％。按马歇尔试件的空隙率４％确定沥青混凝土的沥青用量。在９８％ ２．４．１排水层 和９７％压实度时，现场空隙率约为６％和７％，在这种情况下，面层的 水进入路面结构层后，最后的办法是在面层底部（或底面层）设置 透水性就会大大减小。只要施工时严格要求、加强管理，完全可以达到 多空隙沥青混合料排水层，使水能尽快排出路外。排水层宜直接铺到 压实度９８％的要求 、边坡面。必要时在处于土路肩内的排水层顶面用土工布保护，防止土 ２．３．４增加路面现场空隙率指标 颗粒渗入排水层内部。 沥青混凝土压实后．其体积由矿料体积、沥青体积（吸入矿料开口 ２．４．２防水层 空隙中的沥青不计）和空气体积三部分组成。现场空隙率是指面层碾 为防止进入沥青表面层的水继续下渗到面层的下层及到达并滞 压结束和冷却后沥青混凝土内部空气所占的体积百分率。用现场空隙 留在基层顶面．可设置防水层．避免因水所引起的冲刷、唧浆和路面坑 率可以更确切地反映沥青混凝土的压实结果．因此应该在沥青混凝土 洼等水破坏。 层碾压结束后的第二天用钻机在现场钻件（或芯样）。由于取钻件过程 防水层设在厚沥青面层下面，只能保护基层不受冲刷等水的侵 中有水侵入钻件内部的开口空隙中，因此，钻件应先用热吹风机吹干 入．不能保护其上各个沥青层不受水侵害。为了防止水渗入下层造成 到恒重，或放在４Ｏ℃的烘箱中烘干并冷却后，再用蜡封法测定其体积 破坏，可考虑将防水层设在表面层下面。 并计算出试件的毛体积密度，然后将试件打碎成小块（越小越好，但不 破碎石料颗粒）后用真空吸气法测定沥青混凝土的最大理论密度，计 算出空隙率。沥青混凝土的最大理论密度，也可以用上述各粒级矿料 ［责任编辑：汤静］ （上接第２１页）电磁波发生强反射。 图５围岩欠挖图 图１ 衬砌层间界面图 图２衬砌空洞图 ２－４模筑混凝土质量缺陷 混凝土质量缺陷包括混凝土拌和、运输及浇筑振捣施工不当造成 ２．２钢拱架、钢筋 隧道衬砌施工中由于施工单位为降低造价擅自减少钢拱架、钢筋 的蜂窝、离析、混凝土不密实等质量缺陷。还有由于围岩松动变形等原 的用量。其危害是降低了支护、衬砌结构的承载能力，容易发生塌方等 因造成的衬砌裂缝等。这些质量缺陷会降低衬砌结构的承载能力，并 事故，并且给业主造成经济损失。钢拱架异常为清晰的弧形强反射（图 且引发钢筋锈蚀、漏水等病害。３），钢筋在雷达剖面中会形成顶部小弧形强烈反射，从图中判定出钢 拱架的间距、榀数和埋深。 ３结语 应用探地雷达检测隧道衬砌质量具有数据采集快速、图像直观和 探测精度高等突出优点，能够直观地判定出隧道衬砌中存在的各类缺 陷特征，为及时消除隧道施工中存在的质量隐患和评价隧道施工质量 提供科学的依据。可作为建设者、决策者控制和评价工程质量的检测 手段宏观掌握施工质量，有针对性地采取有效的措施，消除工程隐患， 保证工程质量。 图３初期支护钢拱架图 图４二次衬砌钢筋图 【参考文献】 ［１］李大心．探地雷达方法及应用［Ｍ】．北京：地质出版社，１９９４． ２．３衬砌厚度 ［２］曾昭发，刘四新，王者江，等．探地雷达方法原理及运用［Ｍ］．２００６：２０７—２１４ 由于开挖施工中存在欠挖现象，或围岩松动变形较大，超过了设 计预留变形量，将造成隧道断面尺寸减小。为保证隧道衬砌完工后的 净空符合设计要求，施工单位往往会减小衬砌的厚度来满足净空尺 ｆ５］ⅡＧ Ｆ８０／１－－２００４公路工程质量检验评定标准．人民交通出版社． 寸。衬砌厚度不足会影响其承载能力，并且导致防渗水、抗冻能力的降 低，图５即为一欠挖后导致衬砌厚度低于设计值。 ［责任编辑：张慧］ ｆ３］薄会申地质雷达技术实用手册．地质出版衬，２００６． ４］ｙｒＧ Ｆ６０—２０ｏ９公路隧道施工技术规范．人民交通出版社．
