维普资讯 http://www.cqvip.com 第３２卷第２期 ２００８年４月 物探与化探 Ｖｏｌ＿３２．Ｎｏ．２ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ Ａｐｒ．，２００８ 探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用 吴波鸿 ，白雪冰 ，孔祥春 （１．中国地质大学工程技术学院，北京 １０００８３；２．北京鑫衡运科贸有限责任公司，北京摘要：结合工程实例，介绍了探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用，说明了探地雷达检测的准确性。 关键词：探地雷达；隧道衬砌质量；衬砌缺陷 中图分类号：Ｉ：＇６３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８９１８（２００８）０２－０２２９—０３ １０００２９） 随着我国基础设施建设投入的不断增大，全国 各地的隧道工程的发展也进入了一个新的时期，隧 道工程的质量检测任务也日趋加重，衬砌质量的检 测更是重中之重。隧道衬砌的质量检测主要包括： 隧道衬砌厚度，包括初衬和二衬的厚度；隧道衬砌背 探测深度越大。此次检测的有效深度在３ ｍ以内， 查找空洞、不密实体和脱空等，由于二衬、初衬及围 岩的介电常数不同，且变化较大，选择５００ ＭＨｚ天 线是适宜的。综合场地的特点，选择瑞典Ｍａｌａ公司 生产的ＣＵＩＩ主机，５００ＭＨｚ屏蔽天线，采样频率为 后未回填的空区；２层衬砌间较大的脱空区；施工时 ７ ３００，样点数为４８０，采集时窗为６５ Ｉ１Ｓ，自动叠加， 时间触发测试方式，时间间隔为０．１—０．３ Ｓ。 测线共５条，纵向布置在隧道衬砌表面（图１）。 发生的坍方位置及坍方的处理情况；衬砌混凝土强 度。 在解决隧道衬砌质量检测的问题中，我国的工 程技术人员以往通常使用稳态面波法、超声波法和 钻孔取芯法，但是这３种方法都不同程度地存在一 检测标准为：①铁路隧道工程质量检验评定标准， ＴＢ１０４１７－９８；②铁路混凝土与砌体工程施工及验收 规范，ＴＢ１０２１０－９７；③混凝土结构工程质量验收规 范，ＧＢ５０２０４－２００２。 些弊端：钻孔取芯法具有破坏性且以点盖面，超声波 和稳态面波法工作效率低，无法连续测量。探地雷 达技术作为现代地球物理勘探技术领域最新成果的 结晶，不仅可以连续测量而且不具破坏性，是一种行 之有效的无损检测技术。 北京鑫衡运科贸有限责任公司工程检测部应用 探地雷达技术，于２００５年对某公路隧道的衬砌进行 了无破损法检测，取得了良好的效果。 ｌ 工程概况 图１测线布置示意 无损检测的目的是检测二衬结构的厚度、衬砌 内部及背后缺陷分布情况。该隧道东线出口段Ｋ７９ ＋８１６一Ｋ８２＋８１６段３ ０００ ｍ、续建段Ｋ７４＋２８０～ Ｋ７５＋１８０段９００ ｍ，以及西线ＹＫ７３＋８３５—７８＋３３５ ２数据处理和解释 探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记 录，以波形或灰度显示探测雷达剖面图。探地雷达 段４ ５００ ｍ隧道穿越地段，岩性以含绿色矿物混合 探测资料的解释包括２部分内容，一为数据处理，二 为图像解释。由于地下介质相当于１个复杂的滤波 花岗岩和混合片麻岩为主，间夹蚀变闪长岩，霏细岩 及花岗伟晶岩脉。以上３段隧道共穿越大小断层 １３条，围岩类别变化频繁，地质结构复杂、通风排烟 困难、岩爆频繁是本工程的特点和难点。 器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀 性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变 得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度 的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必 由于不同频率天线的测深能力不同，频率越低， 收稿日期：２００７—１２—２４ 维普资讯 http://www.cqvip.com
・２３０・ 物探与化探 ３２卷 须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪 比，为进一步解释提供清晰可变的图像。对于异常 的识别应由已知到未知，从而为识别现场探测中遇 到的有限目的体引起的异常，以及对各类图像进行 解释提供了依据。 图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背 景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收 ２．１ 隧道衬砌中的脱空区 由于在初衬和二衬之间通常加防水布，以阻隔 地下水对衬砌质量的影响，所以，脱空区经常会出现 在初期支护和二衬之间，这主要是由喷层面与模筑 衬砌问不粘接造成的。对于喷射混凝土加模筑的复 合式衬砌，二者之间的空隙应在雷达图像上有如下 特征：喷层表面和模筑衬砌底面因存在空隙与空气 和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体， 降低背景噪声和余振影响。 识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进 行探地雷达图像解释的核心内容。产生干扰信号的 的原因很多，隧道常见的干扰有电缆、衬砌表面金属 物体、天线耦合不好，地下异常的多次波等，干扰波 一般都有特殊形状，易于辨别和确认。图２中可看 到由于在有避车洞的地方天线没有与其耦合而形成 Ｏ 干扰。图３中标记的地方显示的是由于二衬表面有 管槽而形成了类似空洞的双曲线波形。 ｎ ｌ２ ２４ ３６ ４８ ６０ ７２ ０ １２ 善２４ ３６ ４８ 图２衬砌边墙上的避车洞造成的干扰 ｔ／ｓ ２１６ ２２８ ２４０ ２５２ ２６４ ２７６ ２８８ Ｏ １２ 善２４ ３６ ４８ 图３二衬表面的管槽造成的干扰雷达波 图像解释即是识别异常。这是一个经验积累的 过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方 面由于工程实践成果获得。只有获得高质量的探地 雷达图像并能正确的判别异常才能获得可靠、准确 的地质解释结果。 相接触而产生较强的反射波，在图像上出现清晰而 连续的同相轴，与喷层与模筑衬砌间粘接较好时出 现的不清晰或不存在反射同相轴或钢拱架和钢筋网 形成的断续而绵延的图像有所区别（图４）。 Ｏ ２ ｌ ２ ４ ３ ６ 甘－８ 图４隧道二衬中的长约１２ ｍ的内部脱空带 特别要说明的是，干燥空气中雷达波速为３０ ｃｍ／ｎｓ，而水中雷达波速为３．３５ ｃｍ／ｎｓ，相差很大。 夹于二层衬砌问的空隙应为潮湿的空气，波速难以 测定，故脱空区高度值难以精确计算，只能给出概略 值。但其发育规模和具体位置则是相当准确和可靠 的。 ２．２隧道中的空洞、蜂窝及裂隙 对于隧道中的空洞，蜂窝及裂隙，我们不仅可以 根据雷达图像判别，也可以综合考虑水的影响因素 （图５～图７）。众所周知，在工程地质领域，水的存 在和水的存在状态是构成各种潜在的工程隐患的重 要影响因素。在隧道工程中，地下水往往沿岩体中 图５初衬后的围岩内部空洞 维普资讯 http://www.cqvip.com
２期 吴波鸿等：探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用 ｔ／ｓ ５４ ｆ粥 ７８ ９Ｏ １０２ １１４ １２６ １３８ 运动强烈地段明显的雷达波反射特征。 ３结论和建议 用探地雷达做隧道质量检测是一项较为成熟的 技术，目前在国内得到大量应用。可以说，雷达方法 是隧道检测最有效和快速的方法。用探地雷达方法 进行隧道质量检测，可以确定衬砌厚度，围岩和衬砌 内的缺陷，探测钢筋和钢拱架等。 用雷达做隧道质量检测时，要根据检测需要选 择合适的天线，其中最常用的是５００ ＭＨｚ天线，它 的探测深度可以达到３～４ ｉｎ，基本可以达到探测混 凝土和围岩的目的。如果只检测二衬厚度，可以用 ８００ ＭＨｚ或１ ０００ ＭＨｚ天线。 值得注意的是，在做二衬厚度检测时，如果衬砌 做得很完美，二衬的界面是不太容易看出的（初衬 和二衬的介质基本一样，不会有明显反射层）。但 我们总可以根据其缺陷（层间空洞、脱空、不密实 等）来找到该反射界面。 在做初衬检测时，由于隧道表面凸凹不平，特别 是地面也不平整，给雷达检测造成很大困难，此时要 注意观察天线的工作状况（是否离开隧道表面，是 图７衬砌背部围岩内隐患蜂窝及空洞组织 否突然移动到另外的地方等），并在天线工作不正 节理裂隙向隧道渗流。对于探地雷达检测，水是自 常处打标记，这样就不会产生误判。 然界中介电常数最大、电磁波速最低的介质。纯净 水是高阻的，并不导电。但水是自然界中最好的溶 剂，当水中溶解一定量的矿物质时，水溶液具有很好 参考文献： ［１］李大心．探地雷达方法与应用［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９４． 的导电性，电导较高。如果岩石孔隙、裂隙、断裂破 ［２］ 李智毅，杨裕云．工程地质学概论［Ｍ］．北京：中国地质大学出 碎带或是松散土中充满水，则充水后的介质的电磁 版社，１９９４． 学性质就要受到水的影响，介电常数介于水和岩土 ［３］钟世航．吴波鸿隧道衬砌状态检测技术进展［Ａ］．铁路隧道及 之间，电导率也回明显升高。这有利于用雷达检测 地下工程［ｃ］．北京：中国铁道出版社，１９９３． 软弱结构带，水起到了造影剂的作用。在雷达图中， ［４］牛一雄，宛守成，武建章．地质雷达在公路建设中的应用［Ｊ］． 由于雷达波对高含水区有强烈的反射，形成地下水 物探与化探，１９９６．２０（２）． ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮ ｏＦ ＧＲｏＵＮＤ ＰＥＮＥＴＲＡＴＩＮＧ ＲＡＤＡＲ ＩＮ ＴＵＮＮＥＬ ＬＩＮＥＲ ＱＵＡＬＩＴＹ ＤＥＴＥＣＴＩｏＮ ＷＵ Ｂｏ—ｈｏｎｇ ，ＢＡＩ Ｘｕｅ—ｂｉｎｇ２，ＫＯＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｃｈｕｎ （１．Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｌｉｔｎｇＸｉｎ ｔｔｅｎｇ Ｙｕｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ，ｅｍｐｈａｓｉｚｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｗｏｒｋ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｅｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｔ— ｅｇｏｒｉｅｓ，ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｒａｄａｒ ｍａｐｓ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅ ｔｏ ａｐｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ；ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｅｒ；ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｉｎ ｌｉｎｅｒ 作者简介：吴波鸿（１９８２一），中国地质大学（北京）工程技术学院在读研究生。