王 新 玉

(中铁隧道股份有限公司，河南 郑州　450001)

1　概述

应用地质雷达技术检测隧道衬砌质量，主要利用地质雷达发射的电磁波反射特性，利用衬砌介质内部的电磁性差异(主要是介电常数不同)来实现的。电磁波经不同介电常数的混凝土或内部目标体反射返回混凝土面，由天线接收。通过对反射波的振幅、相位、同相轴等分析来确定混凝土的分界面，并判断衬砌厚度、空洞、钢筋和钢拱架的位置及分布情况，揭示衬砌结构特征及病害缺陷。

2　隧道衬砌的界面及厚度

2.1　界面识别

在隧道衬砌中，衬砌层的识别是衬砌厚度解译的前提和基础。利用波相识别法，以波形特征分析为依据，确定衬砌边界如下：从上至下波性特征分为三段，且它们各段的形态和变化趋势比较相近；在各段内均表现为振幅呈指数衰减到某一振幅低值，并持续一段时间；在各段的分界面处，均以振幅极大值及突变的形式出现。其典型界面图见图1。

电磁波由空气进入混凝土(界面1)，根据菲涅尔原理，界面两侧介质的电磁性差异越大，反射波越强、反射振幅也越大；波从光疏介质进入光密介质(光疏介质的介电常数小，光密介质的介电常数大)，反射系数为负，反射波相位反向。电磁波(折射波)在衬砌混凝土中传播，由于混凝土介质比较密实、均匀，反射系数较小，反射波振幅较弱，没有强振幅的乱反射。波遇到混凝土和初期支护界面2后，由于初支混凝土的介电常数小于衬砌混凝土的介电常数，反射系数为正，反射波相位不反向，界面处发生明显反射，振幅变大。波遇到初期支护和围岩界面，由于围岩均匀性差、含水量丰富，初支混凝土的介电常数小于围岩，在界面发生明显反射，反射系数为负，反射波相位反向，振幅变大。

2.2　厚度识别

准确读取电磁波到反射界面的双程走时，按式(1)计算图1中界面1到界面2的厚度，即：

(1)

其中,h为衬砌厚度,m;Δt为电磁波传播双程时间,ns;v为电磁波在混凝土中的传播速度,m/ns。

3　衬砌混凝土典型特征图像

3.1　衬砌混凝土背后空洞及不密实

1)密实：反射波振幅呈指数衰减，基本没有界面反射信号；如图2界面1上面波形。在电磁波由空气进入混凝土后，反射波相位反向(负波)，振幅变大；波在密实混凝土中传播，反射波相位均匀稳定，振幅较弱。

2)不密实：反射信号明显，反射波相位不稳定，波形不连续、杂乱分散。

图2在电磁波由空气进入混凝土后，反射波相位反向，振幅变大；波在密实混凝土中传播，反射波相位稳定，振幅较弱。电磁波在衬砌界面处有明显反射信号，如图2界面1处负波；电磁波进入不密实区，界面反射信号强，振幅变化较大，相位不稳定，同相轴不连续，如图2不密实区及界面1下面波形。

3)空洞：衬砌界面反射信号强，同相轴呈绕射弧形，三振相明显，下部有强反射界面信号，振幅变化大。

当波遇到混凝土与空洞界面、空洞与混凝土界面，振幅加大,如图3图像空洞区及线A至线B之间波形；波从混凝土和空洞界面反射回来，反射波相位不反向；当波从空洞界面和混凝土界面反射回来，反射波相位反向。从同相轴看，和不密实相比空洞有一定连续性，且相对集中，反射振幅大，反射信号较强。

3.2　衬砌混凝土内部钢筋及初期支护钢拱架

1)钢筋：有强反射信号，反射波相位反向(正波)，呈开口向下连续的抛物线。

电磁波在混凝土中传播，反射波相位均匀，振幅较弱；部分电磁波遇钢筋界面产生呈开口向下连续的抛物线，并产生强反射信号(钢筋内的波速基本为零)，反射波相位反向(正波)，剩余部分电磁波继续向混凝土内部传播，见图4。

2)钢架：分散的弧形强反射信号，反射波相位反向(正波)。

图5电磁波在混凝土中传播，部分电磁波遇到钢架产生弧形强反射信号，反射波相位反向(正波)；剩余部分电磁波继续向混凝土内部传播。其中型钢拱架为清晰的弧形多次反射，反射能量较大，格栅拱架反射能量较弱。

3)双层钢筋：双层开口向下连续的抛物线，有强反射信号。

图6电磁波在混凝土中传播，部分电磁波遇到第一层钢筋界面产生呈开口向下连续的抛物线，并有强反射信号，反射波相位反向；另一部分电磁波继续向混凝土内部传播，其中部分电磁波遇到第二层钢筋界面产生呈开口向下连续的抛物线，有明显反射信号，反射波相位反向；剩余部分电磁波继续向混凝土内部传播，反射波相位为负波。

4)混凝土衬砌中的钢筋及拱架。

图7采集数据经反褶积和带通滤波处理后，A线处可看到单层钢筋形成的连续抛物线及明显反射信号，反射波相位为负波；界面1处为初期支护和二次衬砌的分界面，反射波相位为负波；B线处有4处型钢拱架形成的弧形强反射，反射波相位反向为正波。而双层钢筋后面的拱架由于受到双层钢筋的干扰无法准确判定。目前初期支护钢拱架及喷射混凝土密实度的检测多在二衬混凝土施工前进行检测。

5)混凝土衬砌中的层间脱空(直径或厚度不大于10 cm)。

图8电磁波进入衬砌混凝土后，部分电磁波遇到钢筋界面，产生强反射信号，振幅加大，电磁波相位反向(见A线、B线上正波峰点E和F)。其余部分电磁波继续向混凝土内部传播，遇到衬砌混凝土和初支混凝土界面，产生强反射信号，反射波振幅加大，反射波相位不反向(负波)。当电磁波遇到脱空，产生反射波的振幅是混凝土初次反射波的数倍。见脱空区的反射波波峰D点的振幅是初次反射波波峰C点的2倍以上。

3.3　仰拱虚渣

图9仰拱由于超挖,没有用低标号的混凝土回填，而采用隧道开挖的洞渣直接回填。当电磁波由混凝土进入洞渣形成的不密实区，在不密实区经过折射、反射及散射，反射波振幅变化较大，形成相位杂乱、不连续的强反射信号。

4　结语

地质雷达扫面图像的解译，是建立在检测参数选择合适，采集数据处理合理，并且有足够的试验数据比对，以及经验丰富等基础之上。因此采集数据时，要根据检测目标的深度、尺寸及混凝土的含水情况，合理选择天线频率、采样深度、增益等参数；数据处理要经过反褶积、带通滤波及偏移等方法处理，这是数据解译准确的基础。目前数据解译一般根据反射波振幅、同相轴及相位等特征，加上钻芯和佐证资料对反射信号定性的解译。对比较复杂地质及特殊条件下的隧道衬砌混凝土检测，还需要结合其他间接的解疑方法提高检测数据的准确性。

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