探地雷达在隧道检测中的应用研究

　　摘要：本文依托ST隧道施工过程中的监控和检测工作，应用探地雷达方法对隧道衬砌质量进行系统分析、处理，总结出了一些新的探地雷达检测隧道典型图像，为类似的工程检测提供一个实用的参考及借鉴。
　　关键词：隧道衬砌；地质雷达；无损检测
　　1.引言
　　地质雷达是采用高频——超高频电磁波检测地下介质的地质特征，对不同岩性分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁波技术。其探测原理是高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性差异及集合形态而变化。通过这一原理，可采用探地雷达发现隧道衬砌质量问题，初期支护中，锚杆支护、喷射混凝土支护和现场量测是“新奥法”施工的三大支柱，初期支护和二衬混凝土共同承担荷载。衬砌质量的好坏，锚杆、钢支架缺失与否，直接关系到隧道的安全性是否可靠，以及将来的运行能否得到保障。
　　从现有文献及国内外对隧道研究现状看，目前好多专家、学者主要将雷达应用于对已有的运营隧道病害检测中，已形成了一些共识性的规律，但不同的专家学者间仍存有不少争议，例如利用雷达波对于混凝土厚度界面层的划分以及一些物质的介电常数等，目前对雷达衬砌检测图像识别方面的研究成果还较少。
　　本文结合雷达图像特征，从初期支护、二衬、灾害地质等几个方面。分析造成质量缺陷的原因，并对缺陷雷达图像的特征进行了说明。
　　2.ST隧道概况
　　河南LN高速公路某段设置一隧道ST隧道，该隧道为分离式隧道，左右路线间距24m，隧道轴线间距35.6m，左隧道长1968m，右隧道全长2079m。
　　3.探地雷达初衬图像识别
　　3.1.衬砌不密实的识别
　　图3.1中左侧是初衬不密实缺陷伪彩图，右侧是初期对应的一个波形图，波形杂乱，相位幅值异常。可以看出背后混凝土不密实，其波形图不完整，变化比较大。由于不密实缺陷处的空隙小且连续，给后期处理带来麻烦，单纯的注浆法往往难以达到预期效果。
　　                                  
　                                                   　图3.1拱顶衬砌不密实典型雷达图
　　3.2.空洞的识别
　　塌方回填造成的空洞缺陷如图3.2，雷达波形程典型双曲线反应。对小规模的塌方（塌方高1m左右）处理要求和超挖相同，如果用浆砌片石填充，要求片石竖向摆放，用挤浆法施工，保证砂浆饱满，不允许片石横向搁置或用灌浆法、干砌施工，否则片石间隙不能充填混凝土，造成不密实缺陷。
　　                        
　　                                                                         图3.2二衬后的空洞典型雷达图
　　3.3支护钢架、钢筋网的识别
　　Ⅴ级围岩、局部Ⅳ级围岩或大的塌方、溶洞段，需要采用钢筋网或钢拱架作为初期支护，加强衬砌的承载能力。钢筋网和钢拱架的数量直接影响数量的安全，因此需要对数量和位置进行检测。
　　（1）钢筋网一般采用φ8mm的圆钢，绑扎成网格20cm×20cm、面积1.0m×1.2m大小的网片，用于对超挖、塌方段的处理，必要时多块链接使用。
　　经钢筋网雷达图像进行分析，钢筋变形为尖锐的抛物线形态，信号能量强，可以直观地统计出钢筋数量。
　　                           
　　                                                                    图3.3等距离钢拱架雷达反射图
　　Fig.3.3radarreflectionmapofequidistancesteel-stent
　　（2）钢拱架一般分为两种，一是采用不小于16＃的工字钢（或16B型槽钢）制作，二是采用4根φ22mm的螺纹钢做主筋，制成15cm×15cm的栅格拱架。钢拱架分拱墙局部设置和全环设置两种情况。在隧道拱部和边墙安置钢拱架，称为拱墙局部设置，拱部、边墙和仰拱都安置钢拱架，称为全环设置。
　　图3.3是二衬施工结束后的钢拱架雷达检测图。钢拱架之间距离分别是1.0m（Ⅳ级围岩）和0.5m（Ⅴ级围岩），排列整齐，表现为抛物线形状，但是宽度和幅度远远大于钢筋的反映。右侧起第7根钢拱架前混凝土不密实。图像中衬砌混凝土厚度难以确定，可以先确定钢拱架处的混凝土厚度，再加上钢拱架的厚度来计算混凝土衬砌厚度。
　　隧道洞口或特殊地段需要设置钢筋混凝土衬砌，一般采用φ12mm的螺纹钢，制成25cm×25cm的钢筋网，安置于二衬混凝土中，形成钢筋混凝土衬砌。
　　钢筋混凝土衬砌中的大片钢筋分布表明右侧衬砌混凝土中由于存在钢筋造成强烈反射，信号反映明显。素混凝土加钢拱架衬砌设计能明显区别出来，其衬砌混凝土与围岩界面也清晰。两段不同衬砌的界面十分明显。
　　4.探地雷达二衬图像识别
　　图4.1是二衬内无钢筋情况下的典型图，由于二衬中没有金属对雷达的反射，所以可以看清楚初期支护的钢支架图像。及不同层之间的界面，如图所示。
　　                      
　　                                                            图4.1二衬内无钢筋情况下的典型雷达图（500M）
　　Fig.4.1Typicalradarmapofwithoutsteelinthelining(500M)
　　5管道铺设影响
　　由于隧道功能的需要，在施工中必然预留一些管道，所以在雷达信号解释处理要分清预留管道图像，避免误识为空洞。下面几幅图片是不同深度位置的预留管图像。
　　                 
　　                                                                   图5.1不同深处预留管的雷达典型图
　　6小结
　　本章利用雷达结合实际隧道工程，在现场做了大量试验，收集了众多的数据，通过分析处理，得出如下几点结论：
　　（1）根据现场对照发现，雷达图像中的空洞长度一般为实际大小1/2～1/3，这主要受天线行走速度及雷达设计参数影响；在具体判定空洞大小时，对于初衬的厚度可参照钢支架间距加以分析。
　　（2）通过现场实际积累，总结了衬砌缺陷、支护钢架、钢筋网片、光爆效果、防水挂板，以及塌方、溶洞、欠挖、回填、管道和裂隙水的雷达识别方法，对今后隧道研究具有一定的理论借鉴意义和重要的工程参考价值。
　　参考文献:
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