隧道工程检测中雷达技术的应用
2015-07-29
地质雷达工作的物理基础是在1928年由德国人根据电磁波在不同介电常数的介质界面产生反射，从而提出运用脉冲技术确定地底下目标的思路。对着电子技术的不断发展，地质雷达在物理探测中得到了广泛的应用。90年代以来，我国引进了大量的国外仪器，在地质勘查、无损检测以及建筑结构检测中得到了广泛的应用。地质雷达探测是一种新型的无损检测方法，与传统的探测方式相比，地质雷达探测具有无损性、高效便捷和抗干扰能力强等优点。近年来，在隧道工程施工的过程中得到了广泛的应用。本文对地质雷达探测技术的相关要素进行简述，以供参考。
二、地质雷达性能简介
2.1地质雷达性能
地质雷达法为电磁波反射探测法，即波源是由电磁振荡所产生的电磁波主动源。对应仪器所使用的频率为15～2600MHz，其空气中的波长为18.75～0.115m。根据电磁波划分方法，地质雷达波属于高频～特高频段（短波～微波段）。电磁波进入地下后，速度变慢，波长对应缩短约2.5倍，变为7.5～0.046m，相当于甚高频～微波段（VHF～UHF）。在隧道常用的100～900MHz频段中，低频段主要用于地质探测、超前地质预报，高频段主要用于隧道衬砌与支护结构检测。频率越高，波长越短，分辨率越高，但探测深度变小；反之亦然。通常，400、900MHz常用于隧道结构参数检测，100、200MHz多用于隧道下部结构或深部较大目标或层状目标探测。地质雷达法与声波法相比，由于其工作效率高、探测项目内容广、显示直观、分辨率高、多解性更小、能够进行高速连续扫描探测并实时显示，故得到更加广泛的应用。
2.2地质雷达影响因素
地质雷达波通过的地下介质为电介质，按照介质的分类，通常认为σ/ωε≤0.01的介质是电介质（位移电流为主），σ/ωε≥100的介质是良导体（传导电流为主），0.01＜σ/ωε＜100的介质视作不良导体或半导体，其中σ、ω、ε分别为电导率、角频率和介电常数。对于σ＞10－2s/m的介质，如软泥、饱和砂砾层、湿的泥岩、海水等，探地雷达探测困难；而σ＜10－7s/m则是极好的探测条件，如空气、干燥的花岗岩、石灰岩、混凝土、沥青或沥青混合料、砂岩等；10－7≤σ≤10－2s/m的介质为中等探测条件，如淡水、雪、砂、粉砂、干粘土（干泥）、永久冻土等。
三、检测指标体系及其要求
3.1检测指标体系
现行《公路工程质量检验评定标准》《交通运输部办公厅关于印发公路工程竣工质量鉴定工作规定（试行）的通知》及其他相关技术规范中，对各项指标作了严格规定。
3.2对检测指标的要求
3.2.1次衬砌及初期支护厚度
根据现行TB10223―2004《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》的评定要求，衬砌厚度相对误差应小于15%。一般情况下衬砌厚度会远小于此误差规定要求，故可作为总体误差控制目标。
3.2.2配筋
雷达可清晰反映2次衬砌中的配筋，尤其是其布设较规范时，可分段提供第1层钢筋（内缘筋）的数量和深度，且误差较小。但被第1层所屏蔽的第2层钢筋尚无法提供其数量，但多数情况下可评估有无第2层配筋。
3.2.3喷射混凝土厚度
当初期支护中未设置钢支撑时，原则上雷达检测不能单独提供喷射混凝土厚度，若确有必要提供，则需结合外观观测和局部破检进行评估。施作2次衬砌后由雷达检测所提供的喷射混凝土厚度，其误差较大，原则上不宜提供，仅供评估参考。
四、检测过程与技术要求
对于隧道检测测线位置及数量的确定，按照合同要求并参照隧道地质雷达检测范例和现行TB10223―2004，一般均沿隧道走向分别在拱顶、左右拱腰、左右两侧边墙、路面布置6条纵向测线进行连续扫描探测，从而可获取对应测线附近的衬砌混凝土厚度数据及其他相关资料。另外，测线数量可按不同要求进行调整。通常要求提供以下检测信息。
1）衬砌厚度数据可按拱顶、左右拱腰、左右两侧边墙5条纵向测线间隔5m或10m列表，并进行统计；2车道隧道不低于3条测线，3或4车道隧道不低于5条测线。但铁路隧道一般要求不低于6条纵向测线，即底部还要求另有1条。鉴于现场操作的便捷性和探测效果，一般以纵向测线为主，横向测线为辅。
2）对其他检测项目予以定量或定性描述，并给出其起止桩号、起止深度。
3）检测深度一般在2.0m内，特殊情况在10m内。
4）打印典型断面雷达回波彩图。
5）按纵向测线绘制衬砌厚度图。
6）绘制有关缺陷的隧道展开平面图，并进行有关缺陷的对应描述。
7）病害诊断与分析评估。
五、实际应用情况
1）实际应用中，对于孤立的空洞目标，当使用的雷达频率很低时，即其波长相对于拟探测对象尺寸很大时，雷达灰度图上基本无反应或至多是1个强反射点（白点），不易于分辨解释。如使用100MHz工作频率探测隧道仰拱中直径为30cm的中心排水管，这时雷达在空气中的波长为300cm，若仰拱填充层混凝土的综合相对介电常数按11计算，则仰拱填充层中的波长为90cm。由于波长较长和天线发射角影响，对浅埋的中心排水管反应不明显，有时虽出现强反射点，但不能构成反射弧。
2）当使用的雷达频率较低时，即其波长相对于拟探测对象尺寸较大时，雷达灰度图上是1个强反射点（白点）。如使用400MHz工作频率探测隧道衬砌混凝土中直径为20cm的空洞，这时雷达在空气中的波长为75cm，C20混凝土的相对介电常数按8计算，则混凝土中的波长为26cm（大于空洞尺寸）。这时在普查式检测方式下雷达图像中空洞部位虽出现显著的强反射点（带），但不能构成反射弧。
3）当使用的雷达频率较高时，即其在相应介质中的波长显著小于拟探测对象尺寸时，雷达灰度图上出现典型的反射弧。如使用400MHz工作频率探测隧道衬砌混凝土中直径为60cm的空洞，这时雷达在空气中的波长为75cm，C20混凝土的相对介电常数按8计算，则波长为26cm，显著低于空洞直径。这时在一般检测方式下雷达图像中空洞部位出现较典型的反射弧或强反射条带。
六、结论
1）地质雷达在隧道施工、交竣工验收、病害诊断和处治中可发挥积极有效的作用。
2）地质雷达能有条件地进行衬砌与支护结构的相关检测，2次衬砌与初期支护检测分别在各自对应的施工阶段进行效果最佳。
3）虽然天线密贴在2次衬砌表面实施的检测可分辨出初期支护中的有关结构参数，但不可能是全部信息，如在配筋后的2次衬砌表面检测初期支护中的钢支撑时，由于受配筋的屏蔽影响，雷达回波图中反应不清楚或根本无法分辨。
4）初期支护未设置钢支撑时，要结合外观观测和局部破检提供喷射混凝土厚度和整体评价，否则误差较大或根本不能单独依靠雷达检测提供数据。
5）对空洞或结构层之间脱空的定性描述，建议对其平面范围进行纵横向上的桩号或宽度定位，提供对应位置的2次衬砌厚度实测值和变化范围，脱空高度作为估值供参考用。
6）探地雷达较高分辨率时的探测深度较为有限，一般高频段用于结构检测，相对低频段用于仰拱探测、地质探测或超前地质预报。
