隧道工程衬砌地质雷达无损检测技术

隧道⼯程衬砌地质雷达⽆损检测技术
隧道衬砌质量地质雷达⽆损检测技术
1 前⾔
1.1⼯艺概况
铁路隧道衬砌是隐蔽⼯程，⽤传统的⽬测或钻孔对其质量进⾏检测有较⼤的局限性；应⽤物理勘探的⽅法对隧道衬砌混凝⼟进⾏⽆损检测，可取得快速、安全、可靠的效果。

1.2⼯艺原理
电磁反射波法（地质雷达）由主机、天线和配套软件等⼏部分组成。

根据电磁波在有耗介质中的传播特性，当发射天线向被测介质发射⾼频脉冲电磁波时，电磁波遇到不均匀体(接⼝)时会反射⼀部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进⾏适时接收和处理，达到探测识别⽬标物体的⽬的(图1)。

图1 地质雷达基本原理⽰意图
电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可据下式算出异常介质的埋藏深度H：
H V T
=??2 (1)
式中，V 是电磁波在介质中的传播速度，其⼤⼩由下式表⽰：
V C =ε (2)
式中，C 是电磁波在⼤⽓中的传播速度，约为3.0×108m/s ；
ε为相对介电常数，不同的介质其介电常数亦不同。

雷达波反射信号的振幅与反射系统成正⽐，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表⽰为：
212
1εεεε+-=r (3)
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越⼤，反射信号越强。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。

电导率越⾼，穿透深度越⼩；频率越⾼，穿透深度越⼩。

2 ⼯艺特点
电磁反射波法（地质雷达）能够预测隧道施⼯中衬砌的各种质量问题，分辨率⾼，精度⾼，探测深度⼀般在0.5m ～2.0m 左右。

利⽤⾼频电磁脉冲波的反射，中⼼⼯作频率400MHz/900 MHz/1500 MHz ；
采⽤宽带短脉冲和⾼采样率，分辨率较⾼；
采⽤可调程序⾼次迭加和多波处理等信号恢复技术，⼤⼤改善了信噪⽐和图像显⽰性能。

（1）操作简单，对⼯作环境要求不⾼；
（2）对衬砌隐蔽⼯程质量问题性质判断⼀般精度较⾼，分辨率可达到2～5cm ，检测的深度、结构尺⼨以及⾥程偏差或误差⼩于10%，缺
陷类型识别准确度达95%以上；
（3）通过专业的RADAN 6.0分析软件，专业的技术⼈员可以迅速的完成数据处理等。

3 适⽤范围
地质雷达有其适⽤范围和适⽤条件，⽬标体与周围介质是否存在⾜够的电性
差异，是探测⼯作是否有效的前提，这种电性差异就是介电常数；应根据不同的检测对象和检测要求选⽤不同的天线类型；适⽤条件，探测的⽬标体与周围介质有较⼤的介电常数差异并具有较好的反射条件；上覆层导电性较弱；⽬标体具有⼀定的体积，引起的异常有⼀定的强度；具有⼀定的探测对⽐资料。

该技术适⽤于隧道衬砌质量施⼯过程控制和竣⼯验收的⽆损检测。

4 主要引⽤标准
《⾼速铁路隧道⼯程施⼯质量验收标准》（TB 10753-2010）
《铁路隧道⼯程施⼯质量验收标准》TBl0417-2003
《铁路隧道衬砌质量⽆损检测规程施⼯规范》（TB10223-2004）
《铁路⼯程物理勘探规程》（TB10013-2004）
《岩⼟⼯程勘察规范》（GB50021-2001）
《云桂铁路⽯林隧道地质雷达⽆损检测实施细则》
云桂铁路⽯林隧道相关设计图纸以及相关施⼯资料。

5 施⼯⽅法
1、检测前的准备⼯作:
收集隧道⼯程地质资料、施⼯图、设计变更资料和施⼯记录；
进⾏现场调查，做好测量⾥程标记。

检测时应遵守有关安全规定，配备必要的安全防护⼈员及设备。

2、检测设备、照明机具⼯作电源要保证电量充⾜，能够保证⼀天的正常使⽤。

3、雷达主机、显⽰器、天线、电缆等设备之间连接良好，设备⼯作正常。

4、需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应⼩于1m。

5、提前准确标记检测位置⾥程，提前采⽤红油漆每隔5m做⼀个标记，标记⾼度为轨⾯或路⾯上1m左右；现场检测时标记为5m/单标的⾥程标记⽅式；记录标记⾥程与现场标记⾥程允许误差±10cm。

6、测线布置应符合下列规定：
隧道施⼯过程中质量检测应以纵向布线为主，环向布线为辅（存在问题地段需要加密检测时布置环向测线）。

雷达测线横断⾯布置如图2。

纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条；
环向布线可按检测内容和要求布设线距，⼀般情况线距5～10m；
采⽤点测时每断⾯不少于6个点。

检测中发现不合格地段应加密测线或测点；
三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。

7、检测前，应先搭建隧道衬砌雷达检测台车或采⽤检测车，以便天线能到达检测测线位置。

雷达检测台车现场检测⽅式见图3。

8、现场要求准确记录检测测线的⾼度和⽔平位置，准备受检隧道设计衬砌厚度(其中边墙衬砌设计厚度按内轨顶⾯以上1.0m计)，格栅、拱架设计区段及间距，围岩类型等资料，供现场数据采集参数设置和后期资料处理使⽤。

9、雷达天线频率的选择及测线的布置
根据以往进⾏地质雷达检测的经验，采⽤⾼频天线检测精度较⾼，但测量范围较⼩，采⽤低频天线检测精度较低，但测量范围较⼤。

因此，针对本次检测的内容，决定采⽤400MHz或900MHz的雷达线6条测线。

在现场利⽤⼯程检测车以⼩于5公⾥/⼩时的车速进⾏检测。

对于有疑问处，采⽤钻芯取样进⾏破检检测。

左边墙
左
拱
腰
右
边
墙
右
拱
腰
拱
顶
仰
拱
图2 雷达测线横断⾯布置图
检测车
图3 现场检测⽅式⽰意图
10、介质参数的标定
1）检测前应对衬砌混凝⼟的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道应不⼩于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。

当隧道长度⼤于3km 、衬砌材料或含⽔量变化较⼤时，应适当增加标定点数。

2）标定可采⽤下列⽅法：
在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；
在洞⼝或洞内避车洞处使⽤双天线直达波法测量；
钻孔实测。

3）求取参数时应具备以下条件
标定⽬标体的厚度⼀般不⼩于15cm ，且厚度已知；
标定记录中界⾯反射信号应清晰、准确。

4）标定结果应按下式计算：
2)23.0(
d
t r =ε 9102?=t d ν式中 r ε——相对介电常数
v ——电磁波速（m/s ）
t ——双程旅⾏时间(ns)
d ——标定⽬标体厚度或距离（m ）。

6 ⼯艺流程及操作要点
6.1 ⼯艺流程
衬砌质量地质雷达⽆损检测⼯艺流程如图4。

检测前的准备：清理检测场地，确保⽆障碍物，
每5m做⼀个⾥程标记
检测前：检查⾥程标记有⽆遗漏，连接主机和天
线，现场调整参数调试采集信号
检测过程：⾸先确保雷达天线和衬砌混凝⼟表⾯
密贴，然后采⽤每⼩时3KM的时速匀速移动，每
软件后处理：将采集的原始数据通过软件后处
理，设置零线、介电常数、滤波等
资料解释：将软件后处理的结果和设计
资料对⽐，得出检测数据和结论
反馈施⼯
图4 衬砌质量地质雷达⽆损检测⼯艺流程
6.2操作要点
1、现场检测⼈员要保证雷达天线密贴衬砌表⾯⾏进。

2、现场检测⼈员密切配合，保证天线实际检测位置与标记线位置吻合。

3、检测天线应移动平稳、速度均匀、考虑仪器扫描速度与实测条件，天线移动速度宜为3～5km/h匀速前进。

4、现场记录要保证记录测线号、⽅向、标记间隔及天线类型等，随时记录现场产⽣电磁波⼲扰的物体(如渗⽔、电缆、铁架等)及其位置。

5、纵向布线应采⽤连续测量⽅式，扫描速度不得⼩于40道(线)/s；特殊地段或条件不允许时可采⽤点测⽅式，测量点距不得⼤于20 cm。

6、建⽴完善的衬砌质量⽆损检测⼯作管理制度，按照建设标准化管理体系、招标⽂件、技术指南以及相关规范规定的要求和现场实际情况，开展检测⼯作。

7、定期对检测设备、仪表性能进⾏检查，确保在使⽤过程中⼀切设备运转
正常。

8、地质雷达⽆损检测资料是反映⼯程质量的重要依据之⼀，现场检测技术资料应随施⼯进度同步整理，按类型、时间归类，并保证及时、准确、真实，不得私⾃涂改、仿造、随意抽换、销毁、丢失，资料应做到内容齐全真实，书写字迹端正清楚。

9、检测⼈员员对各种原始记录都要认真保存，对上级主管部门发给的质量标准和有关安全、质量⽅⾯的通知，应及时转发给现场⼯程技术负责⼈。

10、隧道衬砌中各类缺陷判析
1) 衬砌背后回填密实度的主要判别特征：
密实：信号幅值较弱，甚⾄没有界⾯反射信号；
空洞：衬砌界⾯反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界⾯信号，两组信号时程差较⼤。

不密实：衬砌界⾯的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散；
2) 钢架、钢筋位置分布的主要判别特征：
钢架：分散的⽉⽛形强反射信号；
钢筋：分散的倒”V”字型反射信号；
3、地质雷达法的采集数据质量检查为检测总⼯作量的5%，检查资料与被检查资料的雷达图像应具有良好的重复性、波形基本⼀致、异常没有明显位移。

4、检测资料质量评定应符合下列规定：
衬砌背后回填密实度和空洞的检查点相对误差⼩于10%为合格，衬砌混凝⼟厚度的检查点相对误差⼩于15%为合格；
合格的检查点数⼤于总检查点数量的90%为合格。

7 劳动⼒组织
衬砌质量地质雷达⽆损检测组劳动⼒组织见表1。

表1 衬砌质量地质雷达⽆损检测组劳动⼒组织表
⼈员⼈数主要任务
负责⼈ 1 全⾯负责检测⼯作的协调、组织、安排⼯作
技术主管 1 全⾯负责⽆损检测技术相关⼯作
隧道专业⼯程师 1 负责指导现场布置检测测线，负责检测基础数据收集（⾥程标记、特殊段落等）。

协助作业⼯⼈ 5 负责整个检测过程的配合⼯作
8 主要机具设备
主要设备配置见表2。

表2 综合地质雷达⽆损检测主要设备配置表
序号设备名称型号数量备注
1 电磁反射波（地质雷达）SIR-3000 1套
2 检测台车1台⾃制或外购
9 质量控制
9.1 易出现的质量问题
（1）现场检测准备⼯作准备不充分，障碍物过多，导致检测过程中易出现漏检；
（2）⾥程标记有较⼤误差，导致检测结果和实际不相符；
（3）衬砌检测结果判释⼈员经验不⾜，资料分析有偏差；
（4）检测结果的反馈渠道不畅通、不及时。

9.2 保证措施
（1）实现对建设单位的质量承诺，严格按照合同条款要求及现⾏规范标准组织开展⼯作。

（2）在施⼯过程中，以设计⽂件、技术指南以及现⾏规范标准为依据，按《建设标准化管理体系》通过对地质雷达⽆损检测要素和关键程序的控制，切实落实检测责任制。

检测⼯作要责任到⼈，对地质雷达⽆损检测⽅法按⼯序严加施做，保证⼯程施⼯质量合格。

（3）定期对各种仪器、仪表等进⾏标定，专⼈负责管理。

严格按仪器说明进⾏现场操作，确保数据的可靠性。

（4）对采集数据及时处理，形成的检测成果及时汇报，对质量问题较⼤的地段要第⼀时间上报，密切关注现场验证情况，确保检测成果的准确性和指导性，保证施⼯适量。

（5）对各种检测原始数据，现场照⽚，会议记录等重要资料分门别类汇总
归档，以利于检测⼯作的验收。

10 安全措施
10.1检测台车的防护措施
（1）检测车上搭建的临时作业平台，为确保检测⼈员、机械和设备在检测台车⾏⾛过程中的安全，临时作业平台要有⾜够的刚度、强度和稳定性，并和检测车连接牢固；
（2）检测车不可以急⾏、急停，要听从检测⼈员的统⼀指挥，慢起、慢停；
（3）在路⾯凹凸不平的地段，在确保检测车安全通过后，⽅可进⾏下⼀步的检测⼯作；
（4）检测⼯作完成后，现场为检测⽬的所搭建的临时设施应全部拆除，辅助材料应统⼀收集、处理，使检测现场恢复原状，确保安全；
10.2检测现场应急措施
（1）检测现场应配备应急照明灯和应急通讯设备；
（2）检测现场发⽣意外时，应迅速采取救援措施，并⽴即向上级单位报告情况，⼒争将损失降到最低。

11 应⽤实例
地质雷达⽆损检测典型图例
图5 衬砌背后脱空
图6 衬砌背后不密实
图7 衬砌背后脱空
图8 衬砌背后不密实脱空
图9 衬砌背后不密实脱空
图10 衬砌⽋挖（初期⽀护有钢筋⽹⽚）
图11 衬砌⽋挖（初期⽀护有钢筋⽹⽚和拱架）
图12 衬砌⽋挖（素混凝⼟）
图13 仰供下部不密实（素混凝⼟）
图14 仰供下部有钢筋和⽆钢筋过渡段
图15 衬砌钢筋保护层厚度不⾜
图16 衬砌钢筋（典型探测数据）
图17 初期⽀护拱架探测（典型探测数据）
12⼯程结果评价
云桂铁路⽯林隧道衬砌施⼯过程中，通过地质雷达⽆损检测及时发现问题，及时处理，确保交付⼀个合格的⼯程实体。