地质雷达在铁路隧道衬砌检测中的应用

地质雷达在铁路隧道衬砌检测中的应用

文章系统介绍了SIR-3000地质雷达的探测原理、系统参数、处理流程，并通过在工程中的实际应用，对隧道雷达检测工作提出一些总结经验和建议。

标签：地质雷达；隧道衬砌；无损检测；分辨率；介电常数

引言

铁路作为国民建设的基础，在新时代依旧发挥着重要的作用。十二五期间，国家铁路建设持续快速发展，而铁路隧道的质量控制一直是尤为重要的问题，因此，对于铁路隧道衬砌质量检测则显得更为重要。隧道的各种病害，如拱顶脱空、裂隙，衬砌厚度不足及衬砌不密实等，会给铁路的正常运营带来安全隐患。目前普遍采用以物探无损检测为主，钻孔验证检测为辅的检测方式，其中物探无损检测技术包括了声波（弹性波）法检测，激光检测、射线检测、电磁法检测等很多方面。本文所介绍的地质雷达检测法属于电磁波反射法，地质雷达以其高效、高分辨率、高精度的特点，在隧道衬砌工程质量检测中广泛应用。

1 探测原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）是基于电磁波反射原理，所使用的中心工作频率在10MHZ～5000MHZ范围。工作原理：雷达发射天线向地下发射高频电磁波脉冲信号，当遇到电性差异界面时，根据斯奈尔定律，会有部分能量反射并被雷达接收天线接收。通过对双程走时、波形、振幅等相关参数分析，可以推断地下隐蔽目标体的空间位置、几何状态、电性等特征。

设脉冲电磁波从发射天线到接受天线行程需时为T，则有：T=（4h2+x2）1/2/v，式中h为地下目标体或界面深度，x为两天线之间距离，v为电磁波在地下介质中传播的速度，所以根据反射信号到达时间及目标物体平均反射波速，可以大致计算出界面深度。其中，v≈c/ε1/2，c为光速（0.3m/ns）， ε为地下介质的相对介电常数。

2 使用情况及应用条件

使用情况：现常用于隧道衬砌质量检测、隧道超前预报、围岩状态探测、岩溶勘探、市政管线检测、公路工程探测、以及建筑结构探测等方面。

应用条件：一般，最佳为低电导率（σ（10～7）S/m为很差应用条件，如湿粘土、湿页岩、海水等。介质相对介电常数见表1。

3 地质雷达系统简介

仪器型号为SIR-3000型地质雷达主要由主机（包括液晶屏）、电缆、收发天

线及系统软件、后处理软件等组成。

隧道检测时，测量参数一般选择采用400MHz天线，时窗范围：50ns，采样率：512，样点/扫描：16，扫描率：48扫描/秒。隧底采用100M天线，时窗范围：300ns。

4 处理流程

地质雷达原始数据采用美国“地球物理测量系统公司”GSSI（Geophysical Survey Systems Inc）的雷达处理软件Radan6.0进行处理，最终以雷达时间（或深度）剖面图作为资料解释的基本图件。其处理流程如图2所示。

5 检测应用

检测内容：隧道二衬混凝土厚度和背后脱空情况、隧道仰拱厚度及混凝土密实情况、隧底岩溶发育情况。

测线布置：隧道检测过程中质量检测以纵向布线为主，横向布线为辅。双线隧道衬砌纵向布线的位置应沿隧道纵向布置7条测线，其中拱顶、左右拱腰及左右边墙各一条，隧道仰拱布置2条测线，隧底岩溶探测布置4条测线；横向布线可按实际情况及纵向测线检测情况布置；检测中若发现异常地段将加密测线或测点。测线布置示意图见图3。

6 检测结果

6.1 天线脱离衬砌异常地质雷达剖面图

如果遇到避车洞、下锚段等情况时，操作人员未暂停仪器继续前行，造成天线不能跟衬砌耦合。

特点：首波位置改变，反射强且杂乱。

6.2 钢拱架异常地质雷达剖面

特点：较为连续的双曲线形强反射信号，上拱弧形波明显，易于分辨。经距离归一化后，可检测刚拱架数是否满足设计要求。

6.3 钢筋网异常地质雷达剖面

特点：电磁波对于铁磁性物质感应敏感，表现为同向轴有波峰突起，图像情况与钢筋疏密有关。钢筋排列较疏时同向轴呈小弧形；钢筋排列较密时，呈现鱼鳞状，反射强。

6.4 管线异常地质雷达剖面

特点：规律的双曲线强反射信号，多次波及上拱弧形波明显，比空洞异常更规则，同向轴更对称，表现为预埋管线及盲孔等。

6.5 不密实异常地质雷达剖面

特点：在不密实区内介质通常不均匀，与周围介质存在物性差异。雷达波性图中表现为波形紊乱，同向轴交错，不连续。与密实雷达图像相比，层状波性少；与空洞异常相比，多次波相对较少。

6.6 空洞异常地质雷达剖面

特點：衬砌界面反射信号强，多次波发育，波形呈上拱弧形。

7 结束语

通过地质雷达检测技术在隧道衬砌检测中的应用，可以得出以下几点经验：

7.1 SIR-3000地质雷达400M天线分辨率约为5cm，探测深度约为1～1.5m；100M天线分辨率约为15～20cm，探测深度约为20m，完全可以胜任隧道衬砌无损检测任务，且检测效率高，检测结果可靠度高。

7.2 对地质雷达探测最有影响的是介电常数和电导率，所以应该在测量之前反算介电常数，保证检测数据的精确度，同时注意避免水的影响。

7.3 采集程序优化，按里程5m或10m打标记录，每50m桩号确定水平位置，最后便于对采集数据进行里程校正。

7.4 工作时按探测目标深度选择合适的天线和观测参数。

7.5 现场实际中如果能配合其他检测方法使用，则地质雷达在隧道衬砌检测中发挥更大潜力。

参考文献

[1]薄会申.地质雷达技术实用手册[M].北京：地质出版社，2006.

[2]李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1999.

[3]王永鑫.浅谈地质雷达在铁路隧道无损检测中的应用[J].山西建筑，2010.1.

[4]王金亮，地质雷达在湘桂铁路隧道衬砌检测中的应用[J].长沙铁道学院学报，2010.6.

[5]TB10223-2004铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].

作者简介：刘洋（1984-），男，河北承德人，助理工程师，硕士。