探地雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用

河南高速公路試驗檢測有限公司 俞 順 閆 飛

探地雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用

河南高速公路試驗檢測有限公司 俞 順 閆 飛

由于隧道施工條件的特點，在襯砌背部與圍巖之間常會存在空洞，會導致圍巖松弛，使支護結構產(chǎn)生彎曲應力，而損傷支護結構的功能，降低其承載能力，極大影響隧道的安全使用。目前，檢查支護結構內部及背后的狀態(tài)主要采用探地雷達。利用探地雷達能夠檢測襯砌的厚度（一襯、二襯）、背部的回填密實度（一襯二襯間空洞、一襯與圍巖間空洞）等情況。

一、探地雷達檢測原理

探地雷達發(fā)射和接收的是高頻電磁波，根據(jù)電磁波理論，電磁波在地下介質中的傳播特性取決于介質的波阻抗η，而η又主要與介質的相對介電常數(shù)ε成比例關系，即η=1/ε。當相鄰兩層介質的ε存在差異時，也就是兩介質的波阻抗η有差異時，使入射到兩結構層分界面上的電磁波產(chǎn)生反射，形成反射波，被地面儀器接收到，從而使該結構層分界面被識別出來，如圖1所示。這種波阻抗差異可用反射系數(shù)R表示，即；也可以用功率反射系數(shù)Pr表示，即反射系數(shù)直接反映了介質的電性及其差異。由上述表達式可知，在一定深度范圍內相鄰兩介質的相對介電常數(shù)ε差異越大，反射波越強，反射界面越容易識別。其在隧道襯砌檢測中的原理及振幅如圖2、圖3所示。

圖 1 探地雷達檢測工作原理

二、探地雷達檢測技術要求

1.設備技術指標。探地雷達可通過掛接不同型號的天線，完成對不同深度目標的探測。針對隧道襯砌實際厚度情況，可以選擇400MHz及900MHz天線。900MHz天線探測深度大約在1m左右，對于隧道襯砌質量檢測適用。有時由于襯砌內鋼筋及鋼拱架布置對探地雷達反射信號的影響較大，可以選用400MHz天線進行檢測，其探測深度可達2～3m。儀器性能應符合：系統(tǒng)增益＞120dB，A/D轉換位數(shù)≥12bit，掃描速度64scan/s，采樣點數(shù)設為512。

2.檢測技術要求。

（1）探地雷達標定。探地雷達在使用前要對檢測精度進行檢定，可采用空氣中電磁波速度標準值與利用探地雷達實測空氣電磁波速度值對比的方法來實施。具體操作程序如下：在適當位置豎立放置一定面積的金屬板。在金屬板面中垂線方向的一定距離處放置探地雷達天線，準確測定天線至金屬板的距離d。觀測并記錄電磁波通過空氣遇金屬板后反射的雷達波形。由波形圖讀取電磁波雙程歷時t，由公式c=2d/t計算空氣電磁波傳播速度c。根據(jù)空氣電磁波速度標準值（c0=0.3m/ns），按式為校驗合格，反之則認為校驗不合格。

（2）隧道檢測要求。隧道襯砌質量檢測以縱向布線為主，橫向布線為輔?？v向布線的位置應在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻各布置一條，如圖4所示，必要時可橫向布線，間距10m，當需確定回填空洞規(guī)模及范圍時，可加密測線。在具體測線布置過程中，應在隧道襯砌上做好標記，以方便天線沿著預定測線前進，并按每5m做好里程標記。為保證得到可靠的測試圖譜，地面耦合雷達移動速度應控制在5km/h。對于厚度的檢測，應先鉆芯，采用雷達標定的方法進行電磁波在襯砌介質中傳播速度的標定。

三、工程應用

1.工程概況。山西省鄉(xiāng)寧縣境內嶺上隧道為單洞斷面，單洞凈寬10m，界限高度5m，隧道總長1730m。為保證襯砌施工質量，對襯砌厚度（一襯、二襯）及有無空洞進行檢測。一襯部分區(qū)段設計厚度25cm，二襯45cm。

2.測試結果。根據(jù)檢測要求，在拱頂、拱腰及邊墻處布置測線，在指定位置鉆芯對雷達進行標定。由于二襯一襯之間安裝有防水板，為不損壞隧道襯砌防水層，僅對二襯進行取芯，二襯取芯厚度0.455m，傳播速度0.136×109m/s。選用900MHz天線對襯砌施工質量進行檢測。探地雷達檢測結果顯示：二襯平均厚度0.452m，一襯平均厚度0.237cm，隧道襯砌之間未見明顯空洞，雷達圖像見圖5，圖像顯示鋼筋反映信號明顯。

3.檢測結論。

（1）嶺上隧道襯砌厚度總體基本達到設計要求，部分厚度超過設計厚度值，部分段厚度稍欠。

（2）通過檢測，嶺上隧道部分區(qū)域存在初襯與二襯之間發(fā)現(xiàn)不密實情況，未見明顯空洞，建議在以后二襯施工中加強混凝土振搗。

四、結論

1.探地雷達應用于隧道襯砌質量檢測，檢測過程方便迅速，能夠到達預期的效果，保證隧道施工質量。

2.探地雷達不但能夠檢測襯砌厚度及其空洞缺陷，還由于電磁波對金屬的強反射，使得探地雷達能用于對襯砌鋼筋及其鋼拱架分布的檢測。