探地雷达与高频面波在隧道衬砌检测中的运用对比

探地雷达与高频面波在隧道衬砌检测中的运用对比
胡启华;昝月稳;孙文龙;苏国锋;蔡文博
【摘要】介绍探地雷达和高频面波检测隧道衬砌的原理和使用方法,结合数据采集(系统)和处理过程,分别对各自的成像效果进行分析和对比,阐述2种技术在隧道衬砌中检测范围的不同点和相同点.通过2种技术在隧道衬砌中的应用,说明其对隧道衬砌厚度的拾取有着很好的效果,但是,探地雷达能很好地反映隧道衬砌内部水的存在和位置,而高频面波对隧道衬砌是否密实有很好的判断.%This paper described the principles and methods of high-frequency surface wave and ground penetrating radar in the detection of tunnel lining, then described the differences and similarities in the tunnel lining detection through analysis and contrast of the image. The results show that both techniques have a good effect in the thickness pickup of tunnel lining. The ground-penetrating radar can reflect the presence and location of water inside the tunnel lining, while high-frequency surface wave technology dense surface wave has a good judgment of the density of tunnel lining.
【期刊名称】《铁道科学与工程学报》
【年(卷),期】2017(014)006
【总页数】5页(P1301-1305)
【关键词】探地雷达;高频面波;隧道衬砌;渗水问题
【作者】胡启华;昝月稳;孙文龙;苏国锋;蔡文博
【作者单位】西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031;西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031;西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室,四川成都 611756;西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031;西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川
成都 610031;西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031
【正文语种】中文
【中图分类】U45;P631
随着我国经济发展，国家对铁路建设投入的不断加大，所建的隧道随之增加[1]。

隧道作为交通工程的重要组成部分，其工程质量问题也备受人们关注。

根据目前运营的隧道来看，其最为常见的质量问题有衬砌背后脱落和局部不密实等。

不管是新建隧道还是已经投入运营的隧道都有安全隐患。

对此，隧道的质量检测也成了工程质量检测保证中的重要组成部分。

探地雷达与高频面波检测技术[2−3]作为新型的、高效的无损检测技术在隧道质量检测中得到了广泛应用。

1.1 探地雷达
探地雷达(Ground Penetrate Radar，简称GPR)方法[4−5]，是利用高频电磁波
以脉冲形式通过利用一个天线发射，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形随所通过介质的电性质及几何形态而变化。

因此，根据接收波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，找出探地雷达图像特征所对应的介质特征的含义，从而可推断介质的结构。

当两种介质(如钢筋和混凝土)的电磁特性差异较大时，电磁波的发射和折射强度较大。

反射的强弱直接与介电常数有关。

表1为探地雷达在350 MHz天线下，与隧道结构有关的部分介质的介电常数和波速。

图1为探地雷达工作原理图。

电磁波在隧道衬砌结构中的双程走时为：
式(1)中：x为发射天线T与接收天线R之间的距离；v为电磁波在介质中的波速；h为反射界面的深度。

式(2)中：c为光速，εr为介质的相对介电常数，当波速v
已知时，可以通过读取雷达剖面上反射信号行程时间来计算反射界面的深度h。

当发射天线(T)和接收天线(R)相距很近时，目标的深度h近似为：
1.2 高频面波
具有非侵入、无损及高效等特点的物探方法已经备受重视。

面波被大家视为未来最有希望的无损检测技术之一，越来越受到浅地表地球物理和地质工程界的重视。

面波检测[6−7]就是利用瞬态冲击力作为震源激发面波，地表在脉冲载荷的作用下，产生波动。

在离震源的远处，用检波器记录面波的垂直分量。

然后对记录的面波信号做频谱分析和处理。

计算并绘制出频散曲线，根据频散曲线的特征分析解决地质问题。

Rayleigh面波从震源出发沿二次衬砌传播，当在传播过程中遇到非均匀地
质体时会发生散射返回接受传感器1和2。

图2为面波原理图。

根据Rayleigh面波的传播理论，沿被测介质体表层传播的Rayleigh面波对被测
介质体的有效深度在一个波长内，同时不同波长的Rayleigh面波的传播速度可以得出地表下不同深度介质的物理性质。

Rayleigh面波是一种由多种简谐频率(f )组成的脉冲信号，并且每一个频率f都对
应一个Rayleigh面波相速度vR[8−9]。

因此，组成面波脉冲的每个频率的简谐波动的垂直位移Uz可记为：
式中：代入上式，得：
式中：为X处的振动相位角；为检波器x1和x2 2点处的相位差。

即2个检波器
x1和x2相距Δx的相位差可化成相速度为：
面波勘探应用的主要是其两大特性，其一是面波的频散特性；另一个是面波的相速度与介质体的物理力学性质的相关性。

面波检测分3个基本步骤[10]：1)数据采集；2)形成瑞利波频散曲线；3)反演频散曲线得到横波速度剖面。

其中频散曲线最
为重要。

频散现象就是面波传播到不同的介质中时，有着不同的频率，不同频率在介质中的传播速度不同。

那么频散曲线就是指不同频率的传播速度与频率相关的曲线。

本次模型针对衬砌内空洞进行试验，衬砌强度等级为C20。

本次检测分别在大雨
过后和晴天进行，为了了解二衬不密实而导致的渗水问题，分别采用探地雷达图像和高频面波进行检测和数据分析，比较其效果。

检测在模型相同的位置上对其进行，模型的长为300 cm，宽为200 cm，厚度为30 cm。

试验模型如图3。

2.1 探地雷达检测试验
本次试验采用由GSSI公司生产的探地雷达GSSI SIR-20进行检测，并且选择的天线频率为350 MHz。

检测过程中天线按照图3在宽为100 cm的位置往右进行检测。

图4~5均为模型的雷达图像，图4中，在纵坐标接近0处白色最亮区即能量最强为直达波。

在纵坐标11 ns的位置为模型衬砌与空气的界面，在16 ns的位置即
为模型衬砌的下界面，通过Radan6.6处理，对厚度拾取，从图4中表格数据得
出模型衬砌厚度约为30 cm。

因此可以看出雷达能很好并准确地拾取衬砌的厚度。

雷达波在水中传播比混凝土中慢，水的介电常数较大，故其反射波的能量相对其他物质的反射波能量要强，故呈现亮白色带状。

经过对雷达图像的去直流，去背景及人工放大等处理得到图5。

在图4和图5渗水的相同位置，可以得出雷达对水识
别较为敏感。

2.2 高频面波检测试验
本次试验采用美国Olson公司的表面波频谱分析仪(SASW)，检测过程中2个传感器按照图3在宽为100 cm的位置往右进行检测，同时在检测时小锤敲击因使落
锤点尽量与两传感器保持在同一条直线上，其道间距为40 cm。

从图6~7 2种情况下的频散曲线结果来看，面波在模型衬砌检测中，其频散特性
很明显。

在图6无渗水情况的模型中看到，模型衬砌的厚度很明显，在波长为0.3 m左右，其波速明显下降，即为模型衬砌的下界面，即厚度为30 cm。

和模型的
衬砌和探地雷达所检测的厚度一致。

而且无渗水情况下模型衬砌的波速在1
900~2 300 m/s之间，平均波速为2 196.13 m/s。

而从图7中看到，模型衬砌
的厚度还是很明显，即厚度为30 cm左右。

其说明渗水与否对面波检测其厚度关
系不大。

但是渗水情况下模型衬砌的波速发生了变化，其波速在1 400~ 2 200
m/s之间，平均波速为1 839.83 m/s。

从图6~7中可以看到，其波速在模型衬砌中都是规则增长，对不密实区通常以相对低速区表示，但是从图中可以看出模型衬砌的密实度还是不错的。

当然，通过频散曲线可以得出面波的速度，然后，应用面波的速度值与密度值的相关关系计算其密实度，其可以量化衬砌的密实度。

1) 高频面波和雷达均可识别衬砌厚度并反映隧道内部的一些缺陷问题，而雷达对
水的敏感程度远大于面波。

面波对水的检测有一定的效果，但是雷达图像可更直观、较好地反映隧道衬砌内部水的存在和位置，并且还可以根据反射波的强弱显示水在衬砌中不同位置的水量的大小情况。

2) 对于衬砌内部区域的是否密实，在频散曲线中相对低速区一般为不密实。

高频
面波还可以通过频散曲线分析计算出代表衬砌强度的横波速度，进而直接定量了解衬砌的密实情况。

但通过雷达图像却无法了解衬砌的密实度。

[1] 刘向磊. 地质雷达法在隧道衬砌无损检测中的应用研究[D]. 天津: 河北工业
大学, 2012. LIU Xianglei. Geological Radar in the tunnellining nondestructive testing application[D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2012
[2] 车爱兰, 冯少孔, 常旭. 高密度面波探测在隧道混凝土质量检测中的应用[J]. 上海交通大学报, 2011, 45: 1−6. CHE Ailan, FENG Shaokong, CHANG Xu. Application of surface wave survey to nondestructive test of tunnel
concrete lining[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011, 45: 1−6.
[3] Sung-Ho Joh, Seon Keun Hwang. Nondestructive assessment of internal defects in concerte sleepers of high-speed ralwayin Korea[J]. Railway-Research Org, 2011: 22−26.
[4] 张金花. 车载探地雷达天线特性分析及其成像处理研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2014. ZHANG Jinhua. Investigation on characteristics of ground penetrating radar antenna and image processing [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.
[5] 邓普. 铁路车载探地雷达检测隧道渗漏水的研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2015. DENG Pu. Research on detection of railway tunnel seepage withtrain mounted GPR[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014.
[6] 薛新华, 张我华, 刘红军. SASW法在公路复合地基检测中的应用[J]. 科技通报. 2006, 22(5): 689−694. XUE Xinhua, ZHANG Wohua, LIU Hongjun. Application of SASW in testing road compound foundations[J]. Bulletin of Science and Technology, 2006, 22(5): 689−694.
[7] 崔建文, 乔森, 樊耀新. 瞬态面波勘探技术在工程地质中的应用[J]. 岩土工程学报, 1996, 18(3): 35−40. CUI Jianwen, QIAO Sen, FAN Yaoxin. Application of transient rayleigh surface wave prospecting method to engineering, geology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1996, 18(3):
35−40.
[8] 李青山, 张献民, 李红英. 路基压实度的瞬态瑞雷波检测法[J]. 河北工业大学学报, 2003, 32(5): 27−30. LI Qingshan, ZHANG Xianmin, LI Hongying. The method of transient reyleigh wave applied in roadbed compaction degree test[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2003, 32(5): 27−30.
[9] 崔竹刚, 贾雷, 郑晓燕. 瑞雷面波在地下空洞探测中的应用[J]. 科学技术与工程, 2012, 12(26): 6750−6753. CUI Zhugang, JIA Lei, ZHENG Xiaoyan. Application of rayleigh wave method in detecting underground cave[J]. Science Technology and Engineering, 2012, 12(26): 6750−6753.
[10] Nazarian S, Desai M R. Automated surface wave method: Field testing[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1993, 119(7): 1094−1111.。