检测隧道衬砌厚度中介电常数的影响

检测隧道衬砌厚度中介电常数的影响
摘要
本文先介绍了国内公路隧道衬砌厚度对隧道结构的影响，我们引入隧道衬砌厚度检测方法——地质雷达法。

结合工程实例，地质雷达法中的参数介电常数对检测衬砌厚度的影响。

关键词：衬砌厚度地质雷达法介电常数
1、前言
地质雷达(GroundPenetratingRadar,简称GPR)作为一项先进的检测技术，具有非破坏性；抗电磁干扰能力强；采用便携微机控制，图像直观；工作周期短，,快速高效；剖面连续透视扫描检测等特点。

我国已修建的1万多座隧道，60 %以上存在着不同程度的病害，有些病害已相当严重，危及隧道安全，每年需投入大量的费用进行维修。

如果没有隧道衬砌质量检测结果，对隧道的质量和安全性的评价，以及对维修设计方案的制定就缺乏可靠的依据，其结果不仅维修质量难以保证，而且导致大量维修资金的浪费。

因此，可应用地质雷达技术对隧道衬砌的质量进行无损检测，检测成果不仅可作为工程项目维修设计的重要依据，也可作为新建隧道的质量验收判定依据，以及为评定隧道事故提供隧道结构状态数据，具有良好的社会效益和经济效益。

但是，地质雷达检测如同其它物探手段一样，也存在局限性、多解性，有其适用条件和不足之处，必然在某些条件下，存在一定的误差。

为对地质雷达检测结果的精确度和可靠性有一个比较客观的认识，本文就检测隧道衬砌厚度中地质雷达中的参数——介电常数的影响。

2、地质雷达原理及参数
2.1、地质雷达原理
地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定目标体介质分布的广谱电磁波技术。

利用天线向目标体发射电磁脉冲，并接收由目标体内不同介质界面的反射回波。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度
与波形将随所通过介质的电磁性质（如介电常数ε）及几何形态的变化而变化。

根据接收到回波的时间、幅度和波形等信息，可判定介质的结构与埋藏体的位置与形态。

现雷达技术已被成功地应用于工程检测、勘察等诸多领域。

地质雷达探测是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅、频率和相位不同来判断前方传播介质的变化。

介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负。

岩石岩性、风化程度及其含水量等的变化将影响其介电常数，电磁波反射的频率、振幅、相位也将发生变化，雷达图像的解释基础是研究电磁波的传播特性，因此主要通过找寻反射界面来判断得出目标体的几何形状和物理特征；介质的电性差异（比如断裂、空洞、含水层等解译）和物性差异成为衡量地质雷达适用于否的标准，介质间的物性差异越大，二者间的界面越易于分辨。

如果介质的介电
常数ε是已知的话，根据公式：/V C =式中C （km/s ）为电磁波在真空中的传播速度。

可以得到电磁波在介质中的传播速度V （km/s ），在根据记录的从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时
t 4h x v 22=+
式中：t ：脉冲波走时 （ns ，1ns=109
-s ） h ：目标厚度（m ） x ：T 与R 的距离（m ） v ：雷达脉冲波速（m/ns ） 可以精确求的目标体的位置和深度[1]。

2.2、地质雷达参数
采集参数为：使用天线900MHz ，采集方式为连续，每扫描采样数为512，采集时窗为20ns ，扫描速率为64，滤波器为：高频1800 MHz 、低频225 MHz ，介电常数依据现场打孔标定而定。

地质雷达在探测过程中,雷达电磁波在传播过程中遇到不同的波阻抗界面时,将同时产生反射波和折射波,它们均遵循波的反射和透射定律. 而在雷达探测过程中,我们主要关心的是反射波. 反射波的强弱取决于反射系数k ,在隧道工程
的探测中可表示为/K =式中K=ε1 、ε
2
分别表示界面上下
介质的相对介电常数.在隧道工程的地质雷达探测中,围岩的相对介电常数通常
为4～9 ,而与不良地质体溶洞(空气相对介电常数为1) 、水(相对介电常数为81) 或者泥(介电常数介于土和水之间) 有显著差异. 差异越大则反射系数越大,更有利于探测,这就给地质雷达探测带来了极大优势[2]。

从而我们可以看出介电常数大小是可以影响到我们判断衬砌厚度的判断，影响到检测结果对隧道衬砌质量和安全性的评价。

一般隧道二次衬砌施工质量检测中各种常见目标物的介电常数见下表1。

表1 常见目标物介电常数
2.3、地质雷达后期处理
常规的地质雷达拟浅层地震资料处理技术[3]有：滤波，道均衡，速度分析，多次叠加[4]。

而所用软件为GR雷达处理分析系统，该软件有模块化设计、文件格式要求清晰、处理速度快等优点。

软件共有数据输入、背景去噪、一维滤波、层面追踪四个主模块组成。

最后通过介电常数的输入确定衬砌厚度成图，最总确定衬砌厚度。

3、介电常数在实际工程衬砌检测中的应用
3.1、工程介绍
某二级公路隧道，其位于右偏圆曲线R=380及R=400的左偏圆曲线及直线上，纵面位于2.904%的纵坡上，隧道最大埋深157m。

起点桩号k214+536.4，终点桩号k215+170.4,为单洞双向隧道，隧道全长634m。

其岩性组合为：灰色、灰绿色、灰白色及深灰色灰岩、砂质板岩。

岩层产状240～340º∠35～60º。

该隧道设计Ⅴ围岩段219m，Ⅳ围岩段305m，Ⅲ围岩段95m，斜切式洞门明挖段15m。

隧道洞身采用复合式衬砌，二次衬砌分别采用C25钢筋混凝土或C25混凝土，其中Ⅳ级、V级围岩衬砌为钢筋混凝土，Ⅲ级围岩衬砌为素混凝土。

拱墙衬砌厚度设计为：Ⅲ级30cm，Ⅳ级40m，V级45cm。

3.1、检测结果分析
采用地质雷达对某二级公路隧道衬砌厚度检测，检测里程k215+170～k214+970。

将采集的数据运用GR雷达处理分析系统处理，得到衬砌厚度层面追踪图，确定介电常数。

3.1.1、钢筋混凝土中介电常数
k215+130拱顶位置为Ⅴ围岩施工，为钢筋混凝土衬砌。

①介电常数选取5.8，波速为0.125m/s。

得到衬砌厚度40.5cm。

见图1：
图1 介电常数5.8衬砌厚度图
②介电常数选取6.0，波速0.122m/s。

得到衬砌厚度38cm。

见图2：
图2 介电常数6.0衬砌厚度图
衬砌厚度初支厚度
衬砌厚度初支厚度
③介电常数选取6.2，波速0.120m/s。

得到衬砌厚度36.4cm。

见图3：
衬砌厚度
初支厚度
图3 介电常数6.2衬砌厚度图
从以上的三个同一位置上检测的图中可以看出，介电常数选取不一样，而在
同一位置确定界面分界点确定衬砌的厚度结果也是有很大的差异的。

我们在现场
实际打孔（照片见图4）得到的衬砌厚度是38cm，从三个中得到结果介电常数
相差0.2，而波速分别相差0.002、0.003，读出的衬砌厚度也分别相差1.6cm、2.5cm。

因为我们认为电磁波的波速是影响到我们检测中判断衬砌厚度的重要原因
之一，而介电常数是确定电磁波波速的唯一不确定因素，所以介电常数的选定是
衬砌厚度检测中的减少误差的重中之重。

图4 K215+130现场打孔照片38cm
3.1.2、素混凝土中介电常数
k214+980拱腰位置为Ⅲ围岩施工，为素混凝土衬砌。

①介电常数选取5.9，波速为0.124m/s。

得到衬砌厚度43.4cm。

见图5：
图5 介电常数5.8衬砌厚度图
②介电常数选取6.1，波速为0.121m/s。

得到衬砌厚度42.0cm。

见图6：
图6 介电常数6.0衬砌厚度图
衬砌厚度初支厚度
衬砌厚度初支厚度
②介电常数选取6.3，波速为0.120m/s。

得到衬砌厚度40.9cm。

见图7：
衬砌厚度
初支厚度
图7 介电常数6.2衬砌厚度图
以上三个图中的现场打孔（照片见图8）衬砌厚度为42cm。

从上面三个图
中可以看出，素混凝土中的介电常数和钢筋混凝土中的介电常数都是相差0.2，
相差的电磁波波速分别为0.001、0.003，可相差的衬砌厚度却分别是1.1cm、
1.4cm。

因此素混凝土衬砌厚度判定中介电常数影响相对于钢筋混凝土衬砌中介
电常数影响不大。

图8 K214+980现场打孔照片42cm
4、结语
通过对以上二个点的衬砌厚度实际判定中，我们可以认为钢筋混凝土衬砌中的介电常数影响比素混凝土衬砌的介电常数影响大。

故我们在用地质雷达检测衬砌厚度的时候，对钢筋混凝土衬砌和素混凝土衬砌的介电常数标定一定要分开标定，以保证检测结果的真实性、有效性和准确性。

参考文献
[1] 刘传孝.探地雷达空洞探测机理研究及应用实例分析[J].地下空间,2003，23（1）：5-8.
[2] 高阳,张庆松,原小帅,许振浩,刘斌.地质雷达在岩溶隧道超前预报中的应用.山东大学学报(工学版)
第39 卷;5-8.
[3] 唐大荣.地质雷达数据的拟浅层地震资料处理[J].物探化探计算技术,1995，17(3)：10—14．
[4] 赵永辉，吴健生，万明浩．多次叠加技术在探地雷达资料处理中的应用．物探与化探，2000，24(3)：
215— 218.。