透地雷达在隧道工程质量检测中的应用效果

广东省华南工程物探技术开发总公司 孟凡强 梁培新 葛如冰

前言

随着我国经济建设的飞速发展，基础工程建设也进入了一个飞跃发展的崭新阶段，各种隧道工程的建设也日益增多。但对于隧道衬砌的厚度、完整性等的质量检测基本上还是应用传统的钻芯法。这些方法对隧道衬砌有所破坏，且检查的频度低，速度慢，评价的代表性也比较差，很难比较全面地发现潜在的质量隐患，且对于有些部位如拱顶部位由于难以进行施工而无法进行检测。因此寻求一种无损、高效且高精度的检测方法是现在的高技术时代对我们提出的一个新课题。鉴于隧道的衬砌工程与公路的路面工程有类似的地球物理模型，我们借鉴透地雷达在公路工程质量检测中的一些成果、技术和经验，将透地雷达探测技术在广东某供水工程的隧道衬砌的质量检测中进行了应用，在对隧道的衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土的胶结密实情况（是否存在明显蜂窝空洞等）以及衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象的检测方面取得了良好的效果。本文即对上述应用成果进行详细的介绍。

一、方法原理：

透地雷达技术属于地球物理探测技术中的范畴。地球物理探测技术是依据被探测体内的不同介质具有不同的物理性质（如电阻率、弹性波速、介电常数等）的差异进行探测的。具体到透地雷达，它是以被探测体内的不同介质具有不同的介电常数差异进行探测的。在进行探测工作时，它利用表面天线T将高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式送入被探测体内部，该电磁波在被探测的介质内部传播时，会发生不同程度的衰减，遇到不同介电常数的介质分界面时，就会发生反射，反射波返回被探测物体的表面，为接收天线R所接收（图1）后被采集进入仪器进行显示、存储。通过处理分析所采集的反射波的频率、幅度和相位等信息，便可得到不同介电常数的介质分界面的深度及目的反射物的分布范围等参数。与本工程隧道透地雷达检测有关的介质的相对介电常数见表1。图2a是透地雷达在隧道检测中接收到的理想波形，计算衬砌层底面反射波与表面反射波之间的走时时差t(ns)，已知电磁波在衬砌混凝土中的传播速度（可根据表1或由钻孔标定取得）v(m/ns)，即可求出衬砌层的厚度h(m)=v·t/2。但实际得到的波形与此有较大的差异（图2b），主要由以下原因引起：一是电磁波在介质内的非线性衰减和电磁波的自身回波干扰；二是衬砌砼层内散布的钢筋、大粒石块等异常体的干扰；三是衬砌砼层内存在的空洞、胶结不密实及由于衬砌砼层与围岩胶结不密实而存在的脱空等异常体的干扰，四是测量中隧道内其他物体的一些干扰。仔细分析实际得到的波形，便可以从中得到衬砌混凝土的胶结密实情况（是否存在明显蜂窝空洞等）以及衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象等信息。

衬砌层表面反射衬砌层底面反射(a)Dt(b)

图1 透地雷达检测的原理 图2 透地雷达检测单道曲线

表1 介质的相对介电常数和波速值

介质 空气 混凝土 粘土 花岗岩 灰岩 砂岩

相对介电常数 r 1 6.4 8-12 4(9) 7 4-6 电磁波速 v(m/ns) 0.3 0.12 0.095 0.15(0.1) 0.11 0.15 备注 二、检测应用实例 1、衬砌混凝土的厚度检测

图3是透地雷达在广东某供水工程某隧洞内拱顶所做的一段厚度检测的成果。在厚度的检测方面，隧道衬砌与公路路面的透地雷达厚度检测是类似的。图的上部是实测雷达剖面，该隧洞设计为两层衬砌砼，初衬设计为12cm厚的C20喷射砼,二衬设计为25cm的C20砼从实测剖面看，衬砌砼层（初衬加二衬）与其后面围岩间的反射界面既清晰又连续，初衬与二衬之间也有较清晰连的反射界面，这反映了初衬与二衬之间的介质差别较大。图3的下部是经过抽芯标定速度后追踪所得的解释厚度曲线。经标定后的衬砌砼层的电磁波传播速度为0.122m/ns。

Kxx+370Kxx+390Kxx+410Kxx+430Kxx+450Kxx+47000 衬砌底界面Time ns5510101515

Kxx+3700Kxx+380Kxx+390Kxx+400Kxx+410Kxx+42002020厚度40衬砌层40围岩cm6060

图3 广东某供水工程某隧洞衬砌层厚度检测结果

2、衬砌混凝土的胶结密实情况检测

图4是是透地雷达在广东某供水工程隧洞内拱顶所做的一段衬砌混凝土胶结密实情况检测的成果。从实测剖面图上可以看到，在检测段的kx+217-kx+225处在比较连续一致的衬砌砼层内部反射波中出现了强反射波组，反射波振幅明显增强，且反射波同相轴发生畸变，呈现处弧形，这些特征表明此处衬砌砼层内部出现了比较大的局部不均匀性变化，振幅的明显增强表明了此处的混凝土胶结密实度较差。

Kx+2000Kx+210Kx+220Kx+230Kx+240kx+25005Time ns5101015152020混凝土胶结不密实

图4 广东某供水工程隧洞衬砌层混凝土密实性检测结果

3、衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象的检测

图5是透地雷达在广东某供水工程供水工程隧洞内拱顶所做的一段衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象的检测成果，也即检测衬砌层灌浆施工后的灌浆效果检测。从透地雷达实测剖面上可以看到，在检测段的衬砌层底部的反射波中，kxx+627-kxx+631段的衬砌层底的反射波振幅明显增强，但衬砌层底的反射波同相轴依然连续清晰，形状未发生变化。这些特征显示了衬砌层底部与围岩之间存在空隙。根据衬砌层底的反射波振幅的强度情况可以定性地判定脱空的相对严重程度。辅以一定数量的标定资料便可以实现脱空的定量化。

Kxx+5900Kxx+600Kxx+610Kxx+620kxx+630kxx+00Time ns55101015152020脱空

图5 广东某供水工程隧洞衬砌层与围岩之间是否存在脱空检测结果

3、结论与建议

通过透地雷达在广东某供水工程的隧道拱顶衬砌的质量检测中的工程实践，可以得出如下结论。

1、应用透地雷达进行隧道衬砌的混凝土厚度、衬砌混凝土的胶结密实情况（是否存在明显蜂窝空洞等）以及衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象的质量检测是可行的，是一种连续、高效、准确的无损检测方法，检测可以20km时速，每米10个测点进行。

2、在实际进行检测时，上述三个检测目的可以通过一次数据采集过程来实现，仅需要在数据处理解释时对一次采集的数据进行不同目的的分析即可。

3、由于隧道的衬砌层与公路的路面层是相似的，因此透地雷达在公路路面质量检测中的许多成熟技术和经验可以借鉴到隧道衬砌层的质量检测中来，实际的应用也证明了这一点。

隧道衬砌工程也有着其不同于公路路面工程的方面，特别是在面层厚度上，隧道衬砌要超出路面层许多。在透地雷达进行厚度检测的误差方面，在公路路面上的误差为≤1.0cm（水泥砼路面）。由于隧道衬砌砼层比公路路面要厚得多，因此其绝对误差大于公路路面上的情况，但经过多个孔的取芯验证对比，目前的相对误差为≤5%。因此进一步提高检测精度是需要深入研究的问题。另外对于隧道衬砌的混凝土强度的无损检测也是有待于进行深入研究的课题。

我们相信，随着我国经济建设和基础工程建设的发展，无损检测技术将广泛地应用于隧道质量检测中，为社会做出更多贡献。

参考文献

1 李大新，探地雷达方法与应用。北京：地质出版社，1994

2 李金铭，罗延中主编。电法勘探新进展。北京：地质出版社，1996

3 林尤聪，黄伟义，葛如冰，孟凡强。透地雷达在公路工程质量检测中的应用效果。物探与化探，1998（4） 4 王惠濂，探地雷达概论。地球科学-中国地质大学学报，第18卷，1993（3）

5 黄南晖，有耗媒质中电磁波的传播特性。地球科学-中国地质大学学报，第18卷，1993（3）