公路隧道衬砌厚度的探地雷达检测方法(1)

２００８年第１期能源技术与管理
公路隧道衬砌厚度的探地雷达检测方法
周鑫鑫１，张鸿飞１，史海涛２
（１．郑州大学环境与水利学院，河南郑州４５０００２；２．徐州矿务集团庞庄煤矿技术中心，江苏徐州２２１１４１）
［摘要］探地雷达方法具有分辨率高、成本低、快速、无损等优点。

介绍了探地雷达的工作原理和工作方法，通过研究隧道衬砌厚度的探地雷达图谱特征，将探地雷达技术应用
于衬砌厚度检测中，为隧道的衬砌厚度质量检测提供了一种高效的检测手段，并以
某公路隧道为实例，说明了探地雷达技术在实际应用中的可行性和技术优势。

［关键词］探地雷达；隧道工程；衬砌厚度
［中图分类号］ＴＵ９５９．６［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２!９９４３（２００８）０１!００８３!０２
０引言
随着高等级公路向山区发展，公路隧道的数量、规模越来越大。

此类地下工程由于地质条件复杂，施工环境相对恶劣，如果施工工艺不规范、工序不严格，易产生隧道衬砌厚度不足等质量通病，如不能及时发现并纠正这些质量问题，将会影响工程的交付使用和营运安全［１］。

为及时发现隧道衬砌混凝土的质量问题，可利用具有快速高效、分辨率高的探地雷达法沿测线扫描检测。

本文将分别对探地雷达方法的工作原理、衬砌结构层厚度的确定进行阐述。

１探地雷达方法
地质雷达检测方法是近年来应用于浅层地球物理勘探的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成像的方式显示探测结果，分析、解释直观方便，加上其探测精度高、样点密、工作效率高等优势而倍受青睐［２］。

１．１探地雷达方法的工作原理
探地雷达检测方法的工作原理是用无载波高速脉冲作为探测地下目标的信号源，其脉冲参数因目标探测要求而定。

用宽带天线将高速脉冲换成脉冲电磁波进行辐射，一部分经发射天线直接到达接收天线形成直达波，可用作地下目标深度的参考；一部分进入地下传播，当遇到地下目标或不同媒质界面时产生反射，反射的电磁波经地表到接收天线形成反射波，反射波相对地表反射的直达波出现的时间是电磁波从地表到目标再从目标到地表传播所需的时间［３］。

当电磁波在地下传播的速度已知时，即可求出地下目标或地下界面的深度，并且反射波带有地下目标和地下媒质的性质信息，对反射波进行分析，可以确定地下目标的性质。

当发射天线和接收天线在地表的相对位置固定，而共同移动时可以得到一组反射波，将这一组反射波表现出来，就可得到地下目标相对地表的位置信息，从而发现地下目标。

由于电磁波在不同电性，不同形态的中介中传播时，其路径、强度、波形均随之变化，因而可根据测得的波的传播时间、幅度、波形来判断介质的结构与深度［４］。

雷达图形以脉冲反射波形展示，正负峰以黑白色区分，其同相轴可形象地表征地下目标体的反射面。

１．２衬砌结构层厚度的确定
隧道衬砌混凝土厚度是隧道施工质量的重要指标，它直接影响衬砌结构的承载能力和隧道的使用寿命。

使用探地雷达检测技术，可以对隧道进行无损实时成相扫描，快速、直观、准确。

二次衬砌、一衬与围岩之间由于物质成分及物理性质存在着很大的差别，介电常数差异明显［５］。

特别是衬砌与围岩之间，电磁波从混凝土进入围岩时，反射波形振幅显著增大，视频率降低。

隧道结构层混凝土的厚度是根据电磁脉冲在各结构层交界面的反射时间和各结构层中电磁波的传播速度计算得到的。

厚度检测的关键是确定电磁波在隧道各结构层中的传播时间。

然后根据电磁波在混凝土中的传播速度（Ｖ＝０．１２ｍ／ｎｓ）计算出结构层的厚度［６］。

２衬砌混凝土厚度图像分析
雷达图谱信息量非常大，并且各种噪声和杂波的干扰非常严重，因此工程人员对雷达波形的判视比较困难，但是不同的衬砌形态，其雷达图形也是有规律可寻的，本文根据工程检测结果对衬
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砌混凝土厚度雷达图谱特征进行具体分析。

一般情况下，雷达波经发射天线发射后，最先反射到达接收天线的雷达波为空气直达波，紧接着为表面直达波，再为混凝土和围岩面的反射波。

反射波的能量与不同介质之间的物性差异有关，两者物性差异越大，反射波能量就越强，反之，其能量就越弱。

图１为判定的厚度典型探地雷达剖面图，图中存在多条连续的同相轴，沿时间轴方向，第二条与第三条同相轴之间的长度即为衬砌混凝土厚度。

图１衬砌混凝土厚度探地雷达剖面图
３工程实例
某高速公路建设项目隧道施工监控量测项目涉及四座隧道。

四座隧道均属侵蚀剥蚀低山丘陵区，隧道穿越低山丘陵区，地形起伏较大。

隧道区地下水水量贫乏，主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，水文地质条件较简单。

隧道区围岩为粉砂质泥岩、砂岩及未胶结的砾岩，抗风化能力较弱。

为保证工程质量，采用探地雷达方法对隧道衬砌厚度进行检测。

３．１仪器设备及参数选择
本次雷达检测采用加拿大Ｓｅｎｓｏｒｓ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ公司研制的ＰｕｌｓｅＥＫＫＯ１０００型探地雷达仪。

天线频率选用４５０ＭＨｚ，使用里程轮自动记录、连续采集方式，采集时窗为３０ｎｓ，叠加次数为２次。

（１）天线中心频率选择。

通常雷达垂直分辨率用１／４波长表示。

当天线中心频率为４５０ＭＨＺ，Ｖ＝０．１ｍ／ｎｓ时，垂直分辨率可达０．５６ｍ。

（２）时窗选择。

时窗是指用时间（ｎｓ）数表示的探测深度的范围。

如当最大探测深度为３ｍ，电磁波速为０．１０ｍ／ｎｓ时，最小时窗ｔｗ＝６０ｎｓ。

（３）采样率选择。

采样率是指对目标体回波采的样品数。

为了不产生假频干扰信号，要求设置采样间隔：Δｔ＝Ｔ／６。

式中，Ｔ为脉冲宽度即天线中心
频率的倒数。

对于４５０ＭＨｚ天线，采样间隔可选为０．３７ｎｓ。

（４）增益选择。

增益参数的设置，直接影响探测效果。

本次探测的时间增益选择为ＡＧＣ形式，在目标体的深度处增益可适当放大。

３．２检测结果
根据探地雷达图谱的处理分析结果，衬砌实际厚度与设计厚度相比，各段衬砌检测厚度的平均值略高于设计厚度，衬砌厚度总体已基本达到设计要求。

为保证雷达检测结果的可靠性，验证此检测方法的科学性与测试精度，采用现场取芯的方法对几种检测情况进行验证，钻孔取芯验证表明，雷达检测法对厚度情况的定量评价结构可靠、准确。

４结语
探地雷达应用在本次隧道检测工程中，能有效地探测到衬砌厚度数据，并将检测结果及时报告业主，为施工方采取加固措施、消除隐患提供科学准确的依据，进而将隐患排除在隧道投入使用之前，对隧道的安全使用和正常营运起到了重要作用。

综上所述，探地雷达技术应用于隧道检测工程，特别是在判断衬砌厚度方面具有一定的科学性和准确性，并且具有快速、高效、无损等优点。

现场可及时获得雷达图像，工程人员可以适时对雷达图像做出判视，甚至给出检测报告，进行现场验证，极大地提高了工程效率及准确率。

［参考文献］
［１］陈礼伟．地质雷达检测隧道衬砌质量中的问题研究［Ｊ］．岩土力学，２００３，２４（增）．
［２］李晋平，邵丕彦，谷牧．探地雷达在铁路隧道工程质量检测中的应用［Ｊ］．中国铁道科学，２００６，（１）．
［３］梁缄鑫．探地雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用［Ｊ］．铁道建筑，２００５，（１１）：３１－３３．
［４］周黎明，王法刚．探地雷达法检测隧道衬砌混凝土质量［Ｊ］．岩土工程界，２００２，６（３）：７４－７６．
［５］郭有劲．探地雷达在隧道质量衬砌检测中的应用效果［Ｊ］．地质装备，２００１，４（２）：２０－２２．
［６］周俊峰，吴汉杰．高速公路隧道检测中的探地雷达波形分析及应用［Ｊ］．西部探矿工程，２００５，（９）：１２８－１３０．［作者简介］
周鑫鑫（１９８３－），女，河南信阳人，郑州大学环境与水利学院硕士研究生，研究方向为岩土工程信息技术。

［收稿日期：２００７－１１－１０］
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