探地雷达在吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌质量检测中的应用

１ 工程概况
引松供水工程是吉林省重大的水利工程之一， 是施工难度高的大型跨区域引调水工程，工程主要 建设任务是从第二松花江丰满大坝上游 １．４０ｋｍ处 引水至吉林省中部地区，输水线路总长 ６３４．５３ｋｍ， 主要采用长距离输水隧洞。为保证隧洞衬砌施工质 量，对全线输水隧洞衬砌进行了全面检测，根据沿线 不同类别的围岩，隧洞衬砌厚度和钢筋网的分布，采 用了多种频率的探地雷达天线联合检测。
第 １９卷第 ３期 ２０２１年 ６月
水利与建筑工程学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－１１４４．２０２１．０３．０１６
Ｖｏｌ．１９Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２０２１
探地雷达在吉林省中部城市引松供水工程 隧洞衬砌质量检测中的应用
收稿日期：２０２０１１３０ 修稿日期：２０２０１２２５ 基金项目：中组部特殊人才支持计划项目（Ｇｏ４１９００１）；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室专项资金项目（Ｙ４２００１６） 作者简介：袁木林（１９７９—），男，高级工程师，主要从事引调水工程建设管理工作。Ｅｍａｉｌ：２８００４４３５＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯作者：陆 俊（１９８１—），男，博导，教授级高级工程师，主要从事水工结构工程病害诊断与修复工作。Ｅｍａｉｌ：ｌｕｊｕｎ＠ｎｈｒｉ．ｃｎ
２ 探地雷达检测原理与检测方法
探地雷达工作是由发射天线向探测目标发射一 定中心频率的高频脉冲电磁波，高频脉冲电磁波在 介质电磁特性不连续处产生反射、散射和透射，利用 接受天线接收反射回的电磁波，所接收的电磁波信 号经过处理形成具有一定排列的电磁反射波同相轴 序列，通过识别反射波同相轴的振幅、相位以及双程 走时等信息，可判别探测目标体介质特性的变化特 征，隧道衬砌检测正是利用衬砌探测目标体与衬砌 之间的介质电磁特性差异，来判别隧道衬砌混凝土 质量、钢筋网、脱 空 等 目 标 体 的 分 布 情 况 ［１０－１１］。 其 工作原理见图 １所示。
图 １ 探地雷达工作原理示意图
隧道衬砌与围岩的介电常数都比较小，电磁波 能量衰减小，传播速度快，其反射系数和波速主要取 决于介质的介电常数：
ｒ＝
槡ε １
－
槡ε ２
，ｖ＝
ｃ
槡ε １
＋
槡ε ２
槡ε
（１）
式中：ｒ为反射系数；ε为相对介电常数；ｖ为速度；ｃ
为光速，下角标 １、２分别表示界面两侧介质。
对于隧洞衬砌，表 ３反映了雷达波在衬砌混凝 土、钢筋网、钢拱架、衬砌背后围岩、空气及富水体， 雷达波在隧洞衬砌内各类介质的传播以及反射波变 化规律［１３］。
表 ３ 探测目标体的雷达波形变化特征
缺陷类型
能量图 分布
能量 变化
同相轴 特征
钢筋网 不均匀 能量集中 双曲线 混凝土衬砌 均匀 均匀衰减 连续 脱空 不均匀 能量集中 不连续 围岩破碎 不均匀 能量不集中 不连续
随着国家水利事业的发展，输调水工程呈现距 离远、跨度 大 的 特 点，输 水 隧 洞 逐 步 向 超 长 距 离 发 展。长距离输水隧洞埋深大、洞线长、洞径较大、隧 洞沿线工程地质条件复杂。衬砌是队洞承受内水外 压的主要支护结构，是支持和维护隧洞长期稳定和
耐久性的永久结构物，其质量的控制至关重要。一 是支持和维护隧洞的稳定，二是保持隧洞过水所需 要的空间，三是防止围岩的风化，解除地下水的影响 等。因此，隧洞衬砌必须有足够强度、耐久性和一定 的抗冻、抗渗和抗侵蚀性能。隧洞施工质量直接影
探地雷达探测的垂向分辨率一般为：
ＲＴ ＝ ｃ ８ｆ槡ε
（２）
式中：ＲＴ 为垂向分辨率；ｃ为电磁波在空气中的传播
速度，ｍ／ｓ；ｆ为电磁波发射频率，Ｈｚ；ε为介质的相对
介电常数。
第 ３期 袁木林，等：探地雷达在吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌质量检测中的应用
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第一 Ｆｒｅｓｎｅｌ带直径：
（１．ＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅＣｅｎｔｒａｌＣｉｔｉｅｓＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙＬｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ； ２．ＮａｎｊｉｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１００２９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｄｉｖｅｒｓｉｏｎｔｕｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇｅｎｔｉｔｉｅｓｏｆｃｅｎｔｒａｌｃｉｔｉｅｓＹｉｎｓｏｎｇｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｒｏ ｊｅｃｔｉｎＪｉｌｉｎｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｒａｄａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｍａｇｅｓｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃｅｎｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｔｅｎ ｎａｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｓｏｌｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅｐｔｈａｎｄｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ１５００ＭＨｚａｎｔｅｎｎａｗａｓ ｃｈｏｓｅｎｔｏｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｍｅｓｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｘｐｏｓｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｔｅｃ ｔｉｖｅｌａｙｅｒ．Ｔｈｅ９００ＭＨｚａｎｔｅｎｎａｃａｎｔｒｕｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｂａｓｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅａｎｄｌｉｎｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ａｎｄｅｘ ｐｏｓｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｄｅｆｅｃｔｓｏｆｌｏｃａｌａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｖｏｉｄｓｉｎｔｈｅｌｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ４００ＭＨｚａｎｄ２００ＭＨｚａｎｔｅｎｎａｓｃａｎ ｔｒｕｌｙｄｉｓｐｌａｙｔｈｅｂｒｏｋｅｎａｎｄｃｒａｃｋｓｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｂｅｈｉｎｄｔｈｅｌｉｎｉｎｇ，ａｎｄｅｘｐｏｓｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｄｅｆｅｃｔｓｏｆｏｖｅｒ－ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｕｎｄｅｒ－ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ａｎｄｕｎｄｅｒｆｉｌｌｉｎｇｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｐｒｏｊｅｃｔ，ｇｒｏｕｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｒａｄａｒ，ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇ，ｑｕａｌｉｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
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水利与建筑工程学报 第 １９卷
响隧洞工程 的 整 体 工 程 质 量，比 如 衬 砌 混 凝 土 （纵 向筋）排列不整齐，钢拱架间距不满足要求，衬砌厚 度不足，衬砌混凝土内部脱空，回填不密实导致衬砌 与围岩之间存在脱空，围岩固结灌浆不密实等，这些 衬砌施工中的质量缺陷，如果不及时发现和尽快处 理，将恶化衬砌结构的承载条件，相互作用下又引起 围岩不稳定，影响隧洞的长期安全稳定运营［１－２］，从 而降低隧洞的预期使用寿命。因此，在隧洞施工过 程中，及时发现这些衬砌质量缺陷，针对性采取有效 的加固和修复方案显得尤为急迫，检测方法的选择 尤为重要。传统检测方法采取观察、取芯、开槽等方 法，不仅效率低、速度慢、检测不全面、并且对原有衬 砌具有破坏性，不满足隧洞全面性的检测要求。探 地雷达作为一种新的无损检测技术，在输水隧洞衬 砌质量检测中具有速度快、精度高等特点，衬砌检测 全覆盖，各类衬砌质量缺陷识别度高，能快速地发现 各类衬砌质量问题［３］。
袁木林１，董茂干２，明 攀２，陆 俊２
（１．吉林省中部城市供水股份有限公司，吉林 长春 １３００２２； ２．南京水利科学研究院，江苏 南京 ２１００２９）
摘 要：以吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌实体质量检测为例，采用不同中心频率的探地雷达 天线对衬砌和围岩结构开展了实体检测。通过对雷达检测图像的归纳和阐述，发现采用合理的中心频 率天线，解决了探地雷达实体质量检测衬砌结构时探测深度与分辨率的矛盾。１５００ＭＨｚ天线能清楚反 映钢筋网结构信息，揭露保护层厚度的质量缺陷；９００ＭＨｚ天线能真实反映钢架和衬砌厚度基本信息， 揭露衬砌结构局部和连续脱空质量缺陷；４００ＭＨｚ和 ２００ＭＨｚ天线能真实显示衬砌后方围岩的破碎和 裂隙，揭露施工过程中的超挖与欠挖、回填不密实质量缺陷。 关键词：引水隧洞；探地雷达；隧洞衬砌；质量检测 中图分类号：ＴＶ３１；ＴＶ６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１４４（２０２１）０３—００９９—０６
ｄＦ≈ 槡２λＤ
（３）
式中：Ｄ为反射层面深度。探地雷达横向分辨率一般
为第一 Ｆｒｅｓｎｅｌ带直径的 １／４，即 ｄＦ／４；λ为电磁波波 长。
可见，在工作频率一定的情况下，影响探测深度 的因素主要是介质的导电性和介电常数（见表 １）， 根据式（２）和式（３）可知，探地雷达的检测分辨率能 够查明衬砌实体施工质量。
表 １ 常见介质的相对介电常数
介质 相对介电常数
空气 １
水 ８０～８１
混凝土 ７～８
灰岩 ７
泥岩 ６～１５
砂岩 ４～８
钢筋 ∝
湿黏土 ８～１２
吉林省中部城市引松供水工程隧洞衬砌实体检 测采用美国劳雷公司生产的 ＳＩＲ－３０００探地雷达 仪，检测天线频率为 ２００ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、９００ＭＨｚ和 １５００ＭＨｚ，采集模式为连续检测。根据不同的检测 任务选择合适的检测天线，尽可能地满足探测深度 和分辨率的要求，提高解释精度，采集参数设置见表 ２。
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒｉｎＱｕａｌｉｔｙＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＤｉｖｅｒｓｉｏｎ ＴｕｎｎｅｌＬｉｎｉｎｇｏｆＣｅｎｔｒａｌＣｉｔｉｅｓＹｉｎｓｏｎｇＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙＰｒｏｊｅｃｔｉｎＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅ
ＹＵＡＮＭｕｌｉｎ１，ＤＯＮＧＭａｏｇａｎ２，ＭＩＮＧＰａｎ２，ＬＵＪｕｎ２
探地雷达是以不同介质间存在介电性差异为基 础，利用高频脉冲电磁波在介质电磁特性不连续处 产生反射和散射来确定目标体分布规律的一种地球 物理探测方法。该方法具有速度快，精度高、无损、 频带宽、检测天线种类多、检测范围广等特点，几乎 能适应水利隧洞衬砌质量检测的各种要求，包括衬 砌厚度、保护层、钢筋间距、脱空、回填灌浆密实性、 围岩破碎情况等，已广泛应用于水利隧洞衬砌实体 质量检 测 中［４－６］。张 小 明［７］采 用 中 心 频 率 为 ４００ ＭＨｚ和 ９００ＭＨｚ探地雷达对洞松水电站的引水隧 洞衬砌回填灌浆的质量进行了检测，检测结果准确 客观的反 映 了 各 种 缺 陷。 邓 中 俊 等［８］采 用 了 中 心 频率为 ５００ＭＨｚ至 １０００ＭＨｚ的天线对东江水源工 程引水隧洞质量开展了检测，并总结了各种混凝土 衬砌质 量 缺 陷 雷 达 图。 Ｋｒａｖｉｔｚ等［９］开 展 了 不 同 中 心频率探地雷达隧洞衬砌后脱空与含水试验的试 验，证明了 ９００ＭＨｚ天线能够实现最佳的衬砌后方 脱空检测分辨率。但是隧洞衬砌结构质量缺陷的大 小、埋深、种类各种各样，采用单一中心频率的探地 雷达天线，很难兼顾缺陷分辨率与探测深度的要求， 且现有探地雷达探测结果多为衬砌混凝土的质量检 测，对于衬砌后方的围岩质量缺陷探地雷达检测结 果很少。本文以吉林省中部城市引松供水工程隧洞 衬砌实体质量检测为例，对雷达在检测衬砌厚度、衬 砌背后回填密实度、钢拱架、预应力筋、衬砌内部钢 筋网和衬砌后围岩破碎、裂隙、超挖等检测效果归纳 和阐述。
表 ２ 不同频率天线的采集主要参数
中心频率 ／ＭＨｚ
２００ ４００ ９００ １５００
采样点数 ／个
５１２ ５１２ ５１２ ５１２
时窗 ／ｎｓ
１５０ ４０ １８ １０
滤波 ／ＭＨｚ
５０～６００ １００～８００ ３００～２５００ ５００～３０００
发射率 ／ｋＨｚ
１００ １００ １００ １００
隧洞衬砌质量检测通常在隧洞拱顶、拱肩和边 墙位置布置 ５条测线。检测过程中应尽量避开障碍 物和电磁信号干扰区，提高数据采集质量和可靠性。 对衬砌疑似存在质量缺陷的位置需要进行重复检 测，排除偶然性，确保缺陷不遗漏、不误报，提高检测 成果准确性 。 ［１２］
波形
粗波形ห้องสมุดไป่ตู้均一 粗波形 杂乱
振幅 强弱
强振幅 低振幅 能量强 高振幅
衬砌主要是由混凝土构成，混凝土是由水泥和 骨料按比例混合而成的均匀介质，在混凝土中雷达