隧道衬砌质量地质雷达检测研究

２００８　２００８　Ｖ０１．３　ＮＯ．２　吴彬等：隧道衬砌质量地质雷达检测研究　第３卷第２期　隧道衬砌质量地质雷达检测研究　吴彬，李远强，黄来源，李军辉　（北京市地质研究所，北京１０００１１）　摘要：采用地质雷达检测的方法可以对隧道衬砌混凝土的厚度　密实性　脱空　钢格栅数量等进行快速检测，这种检　测方法不仅克服了目测不准确及打孔抽查检测不全面的缺点，而且以其高分辨率，高准确性　探测快速及无损检测的优　点，在隧道衬砌质量检测中取得了非常明显的效果，并得到了广泛的应用。地质雷达在隧道检测中所暴露的技术问题也　亟待解决。本文介绍了地质雷达在隧道衬砌质量检测中的实际应用，研究了在不同的隧道衬砌设计条件下的雷达探测方　式，雷达天线频率的选择、参数选择和检测成果。　关键词：地质雷达；隧道衬砌；质量检测　中图分类号：Ｐ６３１．３＋２５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７－Ｉ　９０３（２００８）０２－００３９－０４　０引言　隧道衬砌质量无损检测主要侧重于衬砌体的力学性　能和缺陷测试方面，其主要内容是查清衬砌内钢格栅分　发射　线　鬻　ｘ　接　线　布、衬砌的强度、内部缺陷、衬体厚度、衬砌体与围岩　（土体）结合情况等。　隧道衬砌质量无损检测常选用地质雷达、有声波、　回弹和超声回弹综合法等。地质雷达的探测深度和精度　调整空间大，可以对隧道衬砌进行较全面的检测，是隧　图１反射雷达探测原理　道衬砌检测非常有效的手段。　由于地层或目标体深度的不同，反射波返回到地表的　１地质雷达探测方法　１．１雷达探测工作基本原理　地质雷达（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ）　依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。根据电磁　波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性　介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折　射和反射。发射天线将高频的电磁波以宽带短脉冲形式　时间也不同，这样便可以形成以时间（ｆ）代表不同的地层　深度的地质剖面，称作雷达时间剖面。　计算公式如：，／４ｚ２＋ｘＶｖ　其中，Ｘ为天线间距，每次探测具有确定的数值，　为电磁波在介质中的传播速度，可以用共中心点法　（ＣＭＰ）现场实测，也可以根据经验数值获取，通过上式　确定反射界面或目标的深度ｚ。　１＿２参数选择　参数选择合适与否关系到探测的效果。现场探测开　送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收　天线接收（如图１）。通过对所接受的雷达信号进行处理　和图像解释来探测目标体。　始前应该对雷达的采集参数进行设定，这一工作最好在　进入现场前在室内完成，进入现场后可根据情况略加调　作者简介：吴彬：男（１９７９　），硕士，地球探测与信息技术专业，主要从事地球物理探测工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８　２００８　第３卷第２期　方法应用　Ｖ０１．３　Ｎｏ．２　整。参数设定的内容包括时间窗口大小、天线频率的选　择、扫描样点数、扫描速率、增益点数选择和滤波设置　等内容。　（１）时窗选择取决于最大探测深度ｈｍａｘ和地层电　通滤波器里的低截频率。垂向低通频率选为天线频率的　２倍，低于该频率的波顺利通过，相当于带通滤波器里的　高截频率。水平滤波分水平平滑和背景剔除，目的是消　除仪器和环境的背景干扰。水平平滑通常取３道平滑，背　景剔除功能只在回放时起作用。　磁波速度　，可由下式估算：　１．３争（２）天线频率的选择　９ｈ　（ｎｓ）　１．３地质雷达资料处理解释　地质雷达资料的解释包括两部分内容：数据处理和　图像解释。雷达探测接收的所有记录数据，在现场回放　天线频率的选择需兼顾目的体深度与目的体尺寸，　在满足分辨率且场地条件又允许的情况下，应尽量选择　并转储在计算机硬盘上，室内工作使用工作站进行分析　数据的处理。流程见图２：　频率较低的天线。当选择天线中心频率时，若要求的空　间分辨率为ｘ（脚），传播介质的相对介电常数为～，则初　步确定天线的中心频率计算公式为：　１（ｎ　，＝　Ｘ￣，￡！　（ＭＨ　）　（３）扫描样点数　扫描样点数Ｓａｍｐｌｅｓ／Ｓｃａｎ有１２８、２５６、５１２、１０２４、　２０４８／ｓｃａｎ可供选用，为保证高的垂向分辨，在允许的　情况下尽量选大。　（４）扫描速率Ｓｃａｎｓ／ｓ　扫描速率是定义每秒钟雷达采集多少扫描线记录，　扫描速率大时采集密集，天线的移动速度可增大，因而　可以尽可能的选大。但是它受仪器能力的。对于一　种类型的雷达，他的Ａ／Ｄ采样位数、扫描样点数和扫描　速度三者的乘积应为常数。当扫描速率Ｓｃａｎｓ／ｓ决定后，　要认真估算天线移动速度ＴＶ。估算移动速度的原则是要　保证最小探测目标（ＳＯＢ）内至少有２０条扫描线记录：　ＴＶ≤Ｓｃａｎｓ×ＳＯＢ／２０　（５）增益点数的选择　增益点的作用是使记录线上不同时段有不同放大倍　匿　数，使各段的信号都能清楚的显现出来，增益点的位置　最好是在反射信号出现的时段附近。ＳＩＲ型雷达设计的　增益点从２到８个，时窗短时选２点增益，时窗长时选４　或５。点之间的增益是线性变化的，增益的变化是平滑　图２雷达资料处理流程图　图像解释：当波穿过地层时，介质对波有不同程度　的吸收，是脉冲达到接受天线时波幅减小，波形与原始　波形有差异；此外，不同程度的随机噪声和干扰也影响　的。增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的　６０％～７０％，增益太大将造成削顶，增益太小将丢失弱小　实测数据。因此，必须对接受信号进行适当的处理，以　信号。　（６）滤波设置　改善资料的信噪比，提供清晰的图像。　图像解释的工作主要是在图像中识别异常，是一个　滤波设置是为了改善记录质量。滤波分垂向滤波和　水平滤波。垂向滤波分高通和低通，高通频率选为天线　经验积累的过程，一方面基于地质雷达图像的正演结果，　另一方面由工程实践中获得。只有获得高质量的地质雷达　图像并能进行正确的判断才能获得可靠准确的解释结果。　频率的１／６，高于这个频率的信号顺利通过，相当于带　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８　２００８　Ｖｏ１．３　ＮＯ．２　吴彬等：隧道衬砌质量地质雷达检测研究　第３卷第２期　２隧道衬砌检测的主要内容和技术问题　求；通过现场实验，横向分辨率适中，对间距ｌｍ以上的　２．１衬砌检测主要内容　隧道衬砌检测主要包括以下几个方面：　（１）衬砌内钢格栅的数目；　（２）衬砌厚度；　（３）衬砌质量；　（４）衬砌与围岩接触面是否密实；　（５）衬砌后方围岩情况。　２．２衬砌检测的一些技术问题　隧道衬砌结构较为复杂，检测的技术问题尚待进一　步解决：　（１）在对围岩进行爆破后，对围岩深部和区域的影　响程度不明，检测的深度和区域范围难控制；　（２）钢格栅会对雷达波产生反射，格栅网产生屏蔽　作用，影响对其深部的探测，特别是格栅后围岩或衬砌　内小的松散和空隙，在格栅的影响下较难探测到；　（３）隧道顶部及拱肩探测难度大，隧道顶部及拱肩　较高，需要在稳定的高平台上作业。由于施工场地条件　较差，高平台很难稳定的移动，对测线的布置影响很大，　危险性很高。　３地质雷达在隧道衬砌检测中的实际应用　某隧道初衬完成过后，需要利用地质雷达对隧道初　衬喷锚施工质量进行检测。该隧道部分地段围岩垮塌较　为严重，属于Ｖ级别围岩。因此，需要对该段隧道初衬　的密实度、初衬后围岩情况加以检测；同时，该段隧道　钢格栅设计间距不等，需要对钢格栅数目进行确定。　３．１雷达天线频率的选择　本次工作使用瑞典ＲＡＭＡ　Ｃ一２地质雷达，选用　４００ＭＨｚ和１．６ＧＨｚ两种屏蔽天线。　由于本次探测内容较多，情况较复杂，既要保证对　衬砌后部的围岩进行探测又要保证准确地检测出钢格栅　数量，特别是因钢格栅的分布无规律，要求检测的质量　高。通过探测深度和分辨率的计算，首先选择频率较为　适中的４００ＭＨｚ雷达天线频率进行检测，频率天线探测　深度在３ｍ左右，可以满足对衬砌及后部围岩的检测要　钢格栅的分布检测效果较好。　同时，为了确保能精确检测钢格栅的数量，备用了　高频１．６ＧＨｚ频率天线。高频天线雷达探测深度较浅，在　ｌｍ以内，但分辨率高，，可以准确的检测出间距较小的　钢格栅数目。　３．２地质雷达探测参数设置　其具体参数设置如表１。　表１地质雷达探测参数表　天线频率　４００ＭＨＺ　１．６ＧＨｚ　采样点数　５１２点　５１２点　采样点距　０．０５ｍ　０．０１ｍ　窗口时间　７０（ＤＳ）　３０（ＤＳ）　波长（　＝　０．３ｍ　０　０７５ｍ　横向分辨率　１／２（　ｈ＿－　２／　ｌ／２　０．０１～０．０２ｍ　０．０７　ｍ（ｈ＝０．５ｍ）　垂直分辨率　（１／４　１／８）　０　０４——０．０８ｍ　０　２０　ｍ（ｈ＝１．０ｍ）　波速　０．１２ｍ／ｎｓ　０　１２ｍ／ｎｓ　触发方式　触距离触发　触距离触发　３．３检测成果　４００ＭＨｚ的天线对隧道初衬的密实度、初衬后围岩　情况进行了检测，对钢格栅数目进行了初步的确定。探　测图像见图３、图４。　图３初衬后围岩不密实雷达图像示例图　从图３可以看出初衬喷锚层之后出现围岩不密实的　异常情况。当喷锚混凝土背后回填不密实，混凝土于围　岩之间有空隙时，由于空气与混凝土介电常数差别较大，　电磁波在混凝土与空气之间将产生强反射信号。当空洞　比较大时，围岩界面清晰可见，在地质雷达剖面图上主　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８　２００８　第３卷第２期　方法应用　Ｖ０１．３　Ｎｏ．２　要表现为混凝土层以下出现多次反射波，同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位，其能量明显增强。　４结论　从以上图像中可以看出，４００ＭＨｚ天线的地质雷达　ｌ　一图４　４００ＭＨｚ天线探测钢格栅数　　在探测钢格栅时效果并不理想，钢格栅没有形成弧形反　射，钢格栅间距较小时，还出现了漏测的现象。但对隧　道衬砌以及衬砌后围岩的反应较为明显，能准确的探测　出不密实区域。　图４显示，由于钢格栅深度较浅，且间距无规律，利　１．６ＧＨｚ的天线对钢格栅的反应相当明显，图像中　可以看到明显的弧形反射，能够清楚的数出钢格栅数目。　同时看出，频率较高的天线对隧道衬砌及衬砌后围岩的　情况反应不明显，这时，钢格栅变成了一种屏障，影响　了深部的探测结果。　用４００ＭＨｚ天线探测后，发现探测图并不能准确地数出　钢格栅的数目，初步探测钢格栅数目为２９个。　为了能够准确的探测钢格栅的数目，本次工作又采　用了１．６ＧＨｚ频率的天线，探测成果如图５、图６。　确定钢格栅数目、位置及围岩情况是隧道衬砌检测　的两项重要内容。当选用地质雷达检测时，应根据实际　情况，及时的调整雷达参数设置，选择合适频率的天线。　探测钢格栅数目需要用频率较高的天线，探测隧道衬砌　图５　１．６ＧＨｚ天线探测钢格栅数　围岩情况需要用频率较低的天线。因此，在隧道衬砌检　测的工作中，根据探测目的应采用高、低频天线相结合　的合理方案。　参考文献　图６　１．６ＧＨｚ天线探测钢格栅数　［１］李大心．探地雷达方法与应用［Ⅵ］．北京：地质出版　＿社．１９９４．　图５和图６所示，天线频率高的地质雷达对隧道衬　砌浅层中钢格栅的反应较为明显。钢格栅的间距变化在　０．５～１．０ｍ之间，钢格栅的数目为３２个。　［２］　王兴泰．工程与环境物探新方法新技术［Ⅵ］．北京：＿　地质出版社．２００３．　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｉｎｇ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｂｙ　Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ　ＷＵ　Ｂｉｎ，ＬＩ　Ｙｕａｎｑｉａｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｌａｉｙｕａｎ　ａｎｄ　ＬＩ　Ｊｕｎｈｕｉ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｌＯ００１ｉ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅ￣ａｉｎｇ　ｒａｄａｒ（ＧＰＲ）ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｆａｓｔ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎｃｌｕｄ—　ｉｎｇ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ，ｉｎｔｅｒｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｂａｒｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｈａｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎａｃｃｕｒａｔｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｅｙｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｐｏｔ　ｃｈｅｃｋｓ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈａｓ　ｙｉｅｌｄｅｄ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｓｈｏｗｉｎｇ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ｆａｓｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｎ—ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｌｓｏ　ｎｅｅｄ　ａ　ｐｒｏｍｐｔ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＰＲ　ｔｏ　ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＰＲ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｔｅｎｎａ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｒａｄａｒ；ｔｕｎｎｅｌ　ｌｉｎｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ；ｔｅｓｔｉｎｇ