0 引言

随着我国交通事业的快速发展, 铁路、公路建设进入高速发展阶段, 对隧道的质量要求也越来越高, 既要求隧道的安全性、经济性, 又要求隧道的美观性^[1-3]。隧道衬砌作为隧道美观的主要控制因素和隧道安全的辅助控制因素越来越来受到人们的重视。衬砌完成后, 使用探地雷达及时地进行隧道衬砌检测, 针对检测的问题提出有目的性的补救措施, 如衬砌背后空洞注浆等, 可以进一步的提高隧道衬砌质量^[4-7]。

探地雷达对隧道衬砌病害检测的精确识别是进行注浆等修补措施的前提。因此正确分析探地雷达的图像, 对于隧道衬砌病害的处理至关重要。但是, 隧道中进行检测时对雷达的电磁波干扰因素较多, 图像也具有多解性, 识别不准确往往会造成后期预报的不准确, 甚至造成误判, 对后续施工影响较大, 严重时还会耽误工期, 造成经济损失, 影响隧道的运营^[8-10]。以美国GSSI公司SIR-3000型探地雷达为例, 对隧道衬砌检测中的常见问题及解决办法进行了一些探讨。

1 探地雷达基本原理 1.1 工作基本原理

1910年, 德国的G Leimbach和H Lowy提出了利用雷达原理探测地下物质, 其后, 探地雷达被应用于隧道衬砌质量检测中, 其基本原理是探地雷达中装有电磁波发射机和接收机, 电磁波发射机用于发射电磁信号, 电磁波接收机用于接收发射机发射出的电磁信号。当电磁波遇到岩层界面时就会发生反射和透射, 含有能量的透射波可以继续向前传播, 直至能量衰减完毕。不同材料物体的物理性质不同, 电磁波的传播速率和反射强度各异, 然后根据波的传播时间和波速来确定前方不同材料物体的具体位置, 物体性质差异越大, 反射界面越明显。其应用范围涉及公路、铁路、水电站、煤矿、隧道、矿产资源和考古等各个领域^[11]。图 1为探地雷达基本原理示意图。

1.2 电磁波传播特征

电磁波作为探地雷达探测时信息传递的媒介有其固有的传播规律, 借助其传播规律可以获取想要了解的重要信息。

探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为

$ v = \frac{c}{{\sqrt \varepsilon }}, $

(1)

式中:c为空气介质中电磁波的传播速度, ε为介质的介电常数, 常见介质相对介电常数如表 1所示。

电磁波脉冲在地质界面上的反射系数

$ k = \frac{{\sqrt {{\varepsilon _1}} - \sqrt {{\varepsilon _2}} }}{{\sqrt {{\varepsilon _1}} + \sqrt {{\varepsilon _2}} }}。$

(2)

反射系数常用来描述入射波与反射波相位与幅度的关系。在地质界面上, 如果相位与发射脉冲相同则反射系数为正, 反之, 反射系数为负。

1.3 探地雷达的分辨率

探地雷达的分辨率是指探地雷达分辨最小地质异常体的能力, 包含垂直分辨率和水平分辨率。地质雷达的波长是地质雷达垂直分辨率的主控因素。当目标体的尺度大于1/2波长时, 目标较容易被识别。假设D为垂直最小可分辨层的厚度, 其计算式为

$ D = 0.5\lambda = C/\left( {2f\sqrt \varepsilon } \right), $

(3)

式中:ε为介电常数; f为电磁波频率; C为电磁波在真空中的传播速度。可见垂直分辨率与电磁波频率和介电常数密切相关, 频率越高, 介质的介电常数越大, D越小, 即垂直可分辨层的厚度越薄, 分辨率越高^[12-14]。

探地雷达的水平分辨率是指探地雷达在水平方向上分辨最小地质异常体的能力。

$ {R_f} = {\left( {\lambda H + {\lambda ^2}} \right)^{\frac{1}{2}}}。$

(4)

式中:R_f为分辨率, H为反射面埋深。当反射面的埋深为H, 发射、接收天线的间距远小于H时, R_f表征了水平分辨率的最小尺度。当目标体埋深越浅, 雷达波频率越高, 波长越短, 则R_f越小, 水平分辨率越高, 越有利于不良地质体的识别。反之, 水平分辨率越低。

实际检测过程中, 现场作业条件差, 雷达数据采集不可避免地受到过多干扰, 如挖机、钻机等机械施工, 放炮等震动影响, 对后期的数据处理带来困难，不但降低检测精度, 而且对图像的识别造成影响。因此, 在实际检测过程中应该合理安排检测时间, 尽量避开其他施工工序, 减少干扰, 提高信号接收质量, 采集参数根据其地质条件优化, 数据处理解释阶段采用多种处理手段提高信噪比, 进一步提升探地雷达检测精度^[15-17]。

2 衬砌病害及干扰源解译方法

拱顶是隧道病害常常出现的位置, 这与隧道的施工工艺密切相关, 因此进行隧道衬砌检测时通常选择三条测线, 即拱顶一条测线, 拱顶测线左右两侧3~4 m处各布置一条测线。

采用SIR3000型便携式探地雷达和900 MHz天线, 对湖北多座隧道进行了衬砌质量检测。依据现场实际地质情况设置探地雷达参数, 进行隧道衬砌检测后, 经过专业软件RADAN的增益调整、叠加去噪、背景去除、频谱分析、一维垂直滤波、反褶积、希尔伯特变换等步骤的处理, 进一步提高了探地雷达图像的质量和可辨识度。

2.1 初衬厚度

初衬与围岩的介电常数差异明显, 因此造成的反射信号有着显著不同, 在探地雷达图像上, 初衬与围岩相交的界面层处常常表现为明显的连续界限。由于施工技术的限制, 隧道围岩的开挖会出现大小不平的问题, 这就使得隧道初衬与围岩接触部分呈现出高低不平的连绵状起伏^[18]。二衬与初衬介电常数有略微的差别, 如果它们之间契合较好, 在雷达图像上则不容易观察到其分界面或仅有较弱的反射信号。当衬砌中有钢拱架和钢筋网存在时, 它们对雷达波的反射较强烈, 在雷达图像上可看到连续、强烈的反射图像^[19-20]。可以根据围岩与衬砌之间介电常数的差异所形成的反射界限, 推断出衬砌的厚度。如图 2所示, 黑线标出了二次衬砌、初期支护和围岩的分界线。

如图 3所示, 在黑色矩形标识内, 可以看出明显的绵延反射界限, 反射强度较周围大, 根据它与上边界的距离推断出衬砌厚度。雷达反射波形显示衬砌厚度不足(设计衬砌厚度45 cm)。钻孔发现该处衬砌厚度为38 cm, 比设计厚度薄7 cm。

造成衬砌厚度不足的原因很多, 一是毛洞开挖不平整或防水板铺设不密实, 造成衬砌与围岩之间有空隙, 如果长期受水及风化侵蚀, 造成衬砌开裂或者掉块, 衬砌厚度减少。二是施工单位偷工减料, 而监管又不到位造成衬砌未按设计厚度, 厚度减少。

2.2 脱空

脱空包括衬砌内部的空洞, 二衬与初衬之间的空洞, 初衬与围岩之间的脱空等。其中, 衬砌内部的空洞一般是因为二衬注浆不密实或者初衬喷浆不当而致, 这样的空洞一般比较小, 在雷达剖面上表现为双曲线的反映。二衬与初衬之间的空洞是由于在施作二衬的时候模板下沉, 台车变形, 或者混凝土收缩导致两者之间出现空区, 这种空区的图像并非双曲线, 而是出现了同相轴的异常。初衬与围岩之间的脱空也是同样的道理。

如图 4所示, 椭圆形范围内出现了二衬的空洞, 常成弧形、长方形或三角形, 存在局部的强反射界面, 内部反射杂乱。

如图 5所示, 当采用模筑泵送混凝土工艺施工二次衬砌时, 拱顶施工接缝处易出现三角形空洞。

2.3 不密实

由于隧道衬砌施工工艺的限制, 常常会出现不密实的情况。捣实不均匀、回填杂物或回填不匀实, 引发不密实。因振捣问题引起的不密实称为灌筑不密实; 因回填杂物或回填不均实引起的不密实, 称回填不密实, 前者多发生于衬砌内部, 后者多发生于衬砌背部。不密实造成衬砌空隙率变大、强度降低、易遭受水及风化侵蚀, 在雷达图谱上表现为区域性的凌乱强反射区, 波形较为杂乱, 同相轴错断, 均表现为“杂乱”的波阻特征^[21]。

如图 6所示, 矩形框内反射比较混乱, 可看出比较明显的反射界面。防水板铺设时不紧密, 有褶皱出现, 常常造成初衬与二衬之间的不密实; 混凝土调配不合理, 含水率过大容易掉落或混凝土没有捣实; 拱顶混凝土浇筑时有气泡产生, 造成衬砌内部不密实。衬砌不密实, 使衬砌强度降低, 常采用后注浆处理。

2.4 钢筋及钢拱架等分布

由于钢筋和钢拱架较周围岩层性质差异较大, 在有钢筋和钢拱架处呈现出亮的强反射, 其中钢筋呈连续的小月牙形分布, 钢拱架呈单个大月牙分布, 波幅较钢筋大, 较容易识别。在处理后的雷达图像上很容易看出钢筋以及钢拱架的数目, 以及存在钢筋缺失不紧密, 衬砌钢筋保护层偏厚等质量缺陷^[22]。

如图 7所示, 用两条黑线标出了衬砌中双层钢筋的排布情况。

如图 8所示, 黑色三角形区域为单个钢拱架, 图中可以清晰看到钢拱架的排布情况。

当出现塌方时, 常采用金属管棚加固。金属管棚加固后在雷达中的图像如图 9所示。

2.5 围岩破碎富水裂隙发育

岩溶地区围岩破碎带内常常含有地下水, 成为隧道的重大安全隐患。因此, 掌握围岩中地下水流动路径十分必要。裂隙、节理是地下水流动的优势路径, 可能受到较大水压及水力侵蚀。水与围岩介质有明显不同的介电常数, 雷达波在富水区表现为强反射, 在雷达图谱上很容易判断出衬砌的含水区域。水不但对隧道衬砌质量有影响, 而且在雷达图像解仪中起着造影剂的作用。围岩破碎富水裂隙发育的雷达图像如图 10内三角形区域所示。在该处衬砌层内有对雷达波呈现强吸收衰减特性的介质区存在, 介质含水率升高, 导电率增强, 对雷达波的吸收衰减增强。“相位宽、振幅强”是判断衬砌内部积水的重要相波依据^[23-24]。

地下水的存在会加剧围岩或衬砌的破坏, 造成围岩开裂, 如图 11矩形区域内所示。

2.6 保护层的厚度

隧道欠挖或超挖都容易造成保护层厚度不合标准。欠挖容易造成保护层厚度过薄; 超挖容易造成保护层过厚^[25]。如图 12所示, 右边点线显示了正常的保护层厚度, 左侧黑线是保护层偏厚的情况, 保护层过厚可能造成局部钢筋断裂, 影响隧道衬砌的强度和稳定性。

2.7 雷达天线脱离隧道衬砌表面

在隧道衬砌的检测当中, 由于作业条件的限制以及路面高低不平, 检测车行驶不稳等因素容易造成雷达天线与隧道衬砌表面脱离。一旦发生这种情况, 就会造成这一部分及其下方区域雷达图像难以识别, 如图 13矩形范围内所示。这种情况常常形成贯通整个雷达图像的强反射区, 反射信号明显且异常^[26]。

3 案例分析 3.1 案例一

对隧道二次衬砌混凝土质量和钢筋情况进行了无损检测, 采用GPR地质雷达检测方法, 主机型号为SIR3000, 天线频率为900 MHz, 图 14为地质雷达二次衬砌无损检测照片。DK74+006—DK74+018里程段内地质雷达检测图像如图 15所示, 图 15(a)为拱部位置处地质雷达检测图像, 从检测图像分析可得:DK74+006—DK74+016里程范围内, 钢筋保护层厚度平均为7 cm, 钢筋间距平均为20 cm; DK74+016—DK74+018里程范围内, 钢筋出现严重不连续现象。图 15(b)为拱顶位置处地质雷达检测现象, 从检测图像分析可得:DK74+009—DK74+010里程范围内, 钢筋出现严重不连续现象; DK74+011—DK74+014里程范围内, 二衬内部出现轻微脱空现象; 从防水板位置可以看出, 二衬厚度平均约70 cm。对比图 15(a)和(b)可以发现, 拱顶位置处二衬混凝土质量和钢筋情况较拱部位置更容易出现问题。

3.2 案例二

对隧道衬砌混凝土质量进行了无损检测, 采用GPR地质雷达检测方法, 主机型号为SIR3000, 天线频率为900 MHz。图 16为YK25+082—YK25+100里程段范围内拱部位置处地质雷达检测图像, 其中深度15 cm处为直达波位置, 所以0~15 cm段为无用信息。从检测图像分析可得:YK25+085—YK25+100里程段范围内, 深度45 cm位置附近, 二衬与初支间混凝土出现脱空现象, 并由此判断, 二衬厚度平均为45 cm。对脱空位置需要进行注浆处理^[27]。

对YK25+082—YK25+100里程段范围进行二衬取芯检测发现, 在深度45 cm左右确是存在脱空现象。衬砌钻孔验证后发现壁后脱空图片如图 17所示; 衬砌取芯检测照片和衬砌脱空处注浆处理照片如图 18所示。

4 结论

(1) 探地雷达对于隧道衬砌中的钢筋、钢拱架等金属材质材料具有较好的识别效果, 在雷达图像上反映出其特有图像形态(月牙形), 对于处理后的雷达图像, 根据其辨识特征极易检测出衬砌中钢筋和钢拱架的分布情况。

(2) 衬砌脱空在探地雷达图像上表现为不同于周围岩体的亮反射, 存在明显的弧形反射界面, 内部反射杂乱, 其图像特征容易与预埋管道相混淆。

(3) 当存在雷达天线与衬砌表面严重脱离时, 脱离区域会出现条带状亮反射, 区域内的物体无法识别, 通过探地雷达图像分析有效辨识雷达天线与隧道衬砌表面的脱离区域, 及时补充探测使其始终紧贴隧道衬砌表面进行有效图像信息获取。

(4) 结合工程实例来看, 地质雷达图像的识别与解译除了依据检测人员的理论知识之外, 还必须充分根据现场情况, 做到因地制宜。