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1、地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用摘要：意大利IDS公司生产的K2型便携式高性能地质雷达具有高性能、集 数字化与模拟一体的优点，该设备在隧道衬砌质量检测中被广泛应用。本文通过 分析K2型地质雷达的优点及其在隧道中的应用，分析影响雷达数据准确性的因 素及提高探测精度方法的介绍，结合现场试验，对K2型地质雷达在铁路隧道衬 砌质量检测中的应用形成检测技术。有助于检测单位及施工单位精准找到质量缺 陷的位置并对缺陷进行处理，提高工程实体质量，对保障隧道运营安全具有重大 意义。关键词：地质雷达；技术；质量；应用Application of ground penetrating radar in quali
2、ty inspection of tunnel liningLi FengBeijing MTR Construction Administration CorporationABSTRACT: The K2 portable high-performance Ground Penetrating Radar （GPR） with high performance and digital and analog integration produced by IDS company is widely used in tunnel detection. In this paper, throug
3、h the analysis of the advantages of K2 GPR and its application in tunnels, the factors that affect the accuracy of radar data and the introduction of improving the detection accuracy, combined with field tests, the detection technology of SIR4000 GPR in railway tunnel lining quality detection is for
4、med. It helps to detect the location of quality defects and deal with the defects accurately and improve the quality of Engineering entities. It is of great significance to ensure the safety of tunnel operation.KEYWORDS: Ground Penetrating Radar (GPR)； Technology； Quality；Application引言在高效快捷工作生活的今天，人
5、们在城市的出行，更多的选择了地铁这种便 捷的交通工具。而新建地铁隧道施工过程中，工程地质复杂，施工难度大，设计 方案的先天不足，给施工留下质量通病和安全隐患。特别是已建成运营的隧道， 有不少隧道存在各种各样的质量缺陷，威胁着运营安全。地质雷达法具有无损、 高效、高分辨率，快速采集分析图像等优势，能够准确找出隧道存在的质量问题， 便于及时对隐患进行处理，为交通建设带来了技术支持。1 K2型地质雷达的优点K2型地质雷达在A/D转换方面采用24位输出数据格式，主机采用实时数据 采集，系统的扫描速率高，在同样的采样点前提下，采集点越多，扫描分辨率越 高。处理软件采用IDS厂家专门研发的地质雷达后处理软
6、件IDS的天线频域广， 频率选择多，可满足一机多用的要求，可根据需要搭配使用不同频率的天线以完 成不同工程的需要。2地质雷达在地铁隧道中的应用2.1工程概述北京某地铁线A站一一B站区间的地铁隧道，距离较近的主要构造断裂有3 条，其中良乡-前门-顺义断裂与拟建线路相交，勘察报告揭示拟建场地最大孔深 62m深度范围内存在人工堆积层和一般第四纪冲洪积层两大类土，缺失新近沉积 层。人工堆积层时间短，成分复杂，厚度变化大，土质软硬不均，压缩性高，自 稳能力差，整体工程特性差；第四纪冲洪积层中，亚层间土质不均，物理力学性 质差异较大，易产生侧向变形。勘探深度内，主要赋存4层地下水，类型为上层 滞水和层间潜
7、水，含水层一的稳定埋深3.30m6.90m；含水层二的稳定埋深 12.60m15.30m，含水层三的稳定埋深18.20m21.60m，含水层四的稳定埋深 29.05m31.85m。2.2工程应用1.探测原理地质雷达技术检测原理是通过向介质中发射高频（主频为数十兆赫至数百兆 赫以至千兆赫）短脉冲电磁波，经地下地层或目的体反射后返回地面，为系统所 接收，快速获得相关检测区域的三维详细信息，探测地下介质的分布情况。当发 射天线和接收天线同步移动时，就能得到逐个记录组成的地质雷达剖面图像。如 图1所示。地质雷达扫描过程在仪器显示界面上形成雷达图像。雷达图像横坐标为道或 者距离，纵坐标为时间或深度。其中
8、横坐标的距离在采用时间模式时显示的距离 不准确，需要以道为基础进行距离归一化后换算距离；纵坐标的时间为电磁波从 发射到接收的双程走时，深度为时间和介质对应波速计算而来的。由于不同介质 之间，不同属性（湿度等）同种介质之间均存在介电常数的差异，这种差异形成 反射波的相位和振幅的差异进而产生不同的图像。我们通过反射波的相位、振幅、 波的同向轴形态特征以及波的频谱特性，并结合目标结构中的各种已知结构，分 析判断地质结构。雷达图像的清晰度和测量深度与雷达天线关系最为密切。不同主频天线的探 测深度不同，天线频率越低，探测深度越大，但分辨率越低。在选择天线频率时， 应根据实际探测的目的和要求，使得所选则天
9、线的探测深度和精度都能满足要求。图1地质雷达探测原理1.试件制作城市轨道交通隧道二次衬砌的做法中，一般采用厚度为300mm500mm的钢 筋混凝土构件制作。地质雷达系统采用中心频率为1 000MHz天线时，可探测深 度一般为0.5m以内。本次模拟试验中，采用频率为900MHz的配套天线。模拟二 次衬砌的制作方法，采用钢筋混凝土制作试件，试件的整体外形尺寸为 400mmX300mmX200mm。同时，在试件侧面共预制4个空洞，用于模拟实际衬砌 中二次衬砌和初衬交界处的缺陷。4个空洞的位置及尺寸示意图见下图2。1.测试方法上述试件制作完毕后，3天以后拆除试模，放置于室内自然条件下进行养护， 养护龄
10、期为28天。28天后，使用探地雷达配套频率为900MHz的天线进行试件的 空洞缺陷检测。采用的其他相关设置为天线道间距：0.075m，时窗：20ns。在试 件表面沿长度方向x方向进行扫描，与）向平行布置21道测线，测线间距均为 0.01m，见下图3。图2试件及空洞尺寸图3雷达测线布置2.3雷达剖面成像波形图解释1.波速校核地质雷达在检测目标体的信息时，同时会接收到各种干扰信息。因此，数据 处理时，需要有效去除杂波，最大限度地突出有效波，以便提高雷达图像的信噪 比和分辨率，使得可以从雷达图像中提取出包含与地下目标体的位置、形态、结 构和属性等有关的信息，为地质雷达资料提供解释服务。本次试验完成后
11、，通过数据处理，波形图见下图4。在时间方向上，出现1 处界面反射波，反射波上方信号为正常衰减，结合普通钢筋混凝土的雷达反射特 点，判断此界面为二衬与初衬的交界面。深度方向，存在1处界面反射波，反射 波下方同相轴相位相反，判断此处为初衬与周围岩土体的交界面。从深度轴可以看出，雷达波速为0.086 m/ns。椅 试件2尺寸适通需金图4试件尺寸及雷达波速测定1.雷达波形图解释上述雷达波速测定完成后，分别作出第8条水平测线在空气和水中的雷达波 形图，见下图5和图6。从图5可以看出，时间轴方向6.7ns处有较强反射波， 判定为二衬和初衬交界面，从图6可以看出，时间轴方向15.8ns处有较强反射 波，判断
12、为初衬和周围岩土体交界面。两处交界面的深度分别为0.30 m和0.70 m。图5空气中第8条测线波形图6水中第8条测线波形由以上分析可见，对于总衬砌厚度为400mm的衬砌，可以查明初衬与周围岩 土体的缺陷，相应缺陷处在波形上的反应为钢筋混凝土和水及周围岩土体间界面 反射波波形越来越模糊。2.4三维透视分析根据理论分析可知，雷达波在空气层中传播速度大约是混凝土中的三倍，因 此，空气中的雷达波可近似地认为无衰减，而在混凝土层中是正常衰减。为便于 分析，分别作测线110的三维透射图和测线1621组成的三维透视图，进行 反相信号处理，见下图7所示。根据雷达波振幅变化的颜色表示，从图像中可以 看出，雷达
13、反射波在试件的下部的衰减幅度变化较大，而在其上方为正常衰减。 因此，结合雷达图像的剖面图和水平切片，三维成像图可以直观反映出整个试件 的大体轮廓和空洞所处的相对位置。但由于本次测试中的空洞位于试件的边缘部 位，在雷达测试缺陷时受到了空气层的影响，无法从3D图判断空洞具体形状。圄6 1-10测线和测线组成的=.罪透视图图7 110测线和1621测线组成的三维透视图3提高地质雷达探测精度的措施在运动状态下进行检测时，由于人为因素以及检测时设备天线的贴合度、检 测台车的颠簸、检测前雷达主机的参数调试等因素的影响，对检测的数据精度会 造成误差。具体分析可以得出如下结论：1) 探测前，对具体检测的隧道，
14、要根据设计和勘查的资料，选择不同类型 的天线，设置好仪器的各项参数，包括介电常数、增益、以及高、低通滤波等。 特别是介电常数的确定，必须通过现场反复调试、试测，达到理想的效果才能进 行检测。2) 在用仪器采集数据时，检测人员应时刻关注雷达图象，对图像异常部位 做好必要的信息记录，必要时应进行二次检测。采用检测车进行检测时应保证平 稳、匀速、直线前进，尽量减少停顿，停顿时应记录停顿位置。3) 检测数据的好坏由现场检测技术水平决定。雷达天线倾斜会导致雷达波 传输出现问题，扶持天线的过程中，如遇障碍物或人员劳累等原因，天线不能与 测线方向保持平行，产生一个偏差角度，从而直接影响雷达检测数据。隧道的里
15、 程标识不清或隧道内视线不好，容易造成较大误差。因此现场需要专业测量人员 进行精确测量后标定里程，以保证现场采集的里程位置真实，此项对判断隧道内 的施工缺陷的位置至关重要。参考文献：1 中国铁路工程总公司.铁路隧道衬砌质量无损检测规程：TB 10223S.北 京；中国铁道出版社，2004.2 刘洋.地质雷达在铁路隧道钢筋混凝土衬砌检测中的应用J.X程地球物 理学报，2019，16(05):694-699.3 葛增超，刘东升.应用地质雷达检测地下工程衬砌的施工质量J.四川建 筑科学研究，2006，32(1):115-117.4 陈培德.地质雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用J.中外公路， 2010，(2):182-185.作者简介：李峰，男，硕士，高级工程师，主要从事地铁工程管理工作
