倪 迪 康三月 朱爱山 陈 明 朱东升

(1.台州市交通投资集团有限公司，浙江 台州 318000； 2.浙江省隧道工程集团有限公司，浙江 杭州 310005； 3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

改革开放以来，我国综合实力不断提升，基础设施建设力度也在一直加大。其中，交通建设规模日益扩大，而公路隧道更是近年来大力发展的交通运输方式。隧道衬砌作为防止围岩变形坍塌的手段应当具有足够的强度以及耐久性。因此，隧道衬砌的施工质量应该严格把控，以确保隧道的运营安全、结构性能和使用寿命。在隧道衬砌施工时，有几种施工质量问题在实际工程中经常发生，例如：二次衬砌的厚度不能满足实际工程要求，钢筋或者钢拱架数量不足以防止围岩产生较大变形，衬砌与围岩之间接触不够密实。

地质雷达检测施工衬砌是利用不同探测介质之间性质的差异性，接收反射回来的电磁波并形成图像，进而分析衬砌施工质量。该方法检测效率相对较高，准确率也还不错，操作较其他检测方法简单，因此，在实际工程中，经常被用来检测隧道衬砌质量问题[1,2]。

本文首先简略的描述了地质雷达的检测原理，进而结合楼山隧道实际工程情况，分析介绍了几种常见的衬砌质量问题及其图像特点，对今后的隧道衬砌质量检测及图像处理有一定的利用价值。

2 地质雷达检测隧道衬砌原理

首先使用发射天线对着隧道衬砌发射高频宽带短脉冲电磁波，因为不同的衬砌、围岩介质等的介电性质不同，发射回来的电磁波能量大小就会有差异，再利用接收天线接收反射回来的电磁波，记录因旅行长度，速度不同而产生差异的反射时间。

不同介质中的电磁波传播速度可以用式(1)表示：

V=C/(εr)1/2

(1)

其中，C为在真空的条件下电磁波的传播速度，大小为0.3 m/ns;εr为相对介电常数。

利用在不同介质中，电磁波的传播速度和传播所用时间可以计算出界面深度(h=V×t/2)。被探测物体内部的波形图像可以使用发射天线沿着被检测物体表面移动来得到。地质雷达的检测原理如图1所示。

不同介质拥有不同的介电性、导磁性，其电磁波的运动学和动力学特性也是不同的，用发射天线向被探测物体发射高频宽频带电脉冲波，可以推算出其空间分布情况[3,4]。电磁波在不同介质中的传播速度、旅行路径不同，接收天线接收到的电磁波的双程走时、波幅、频率等也因介质的不同而不同，利用这些差异性可以推算出被探测物体的内部结构特征以及衬砌的分布情况等。

3 应用实例

3.1 工程概况

路泽太一级公路温岭段楼山隧道采用分离式单向行车双车道隧道(上下行分离)。其中左洞设计桩号：K8+428～K8+945，右洞设计桩号：K8+434～K8+925。本次检测目标为楼山隧道既有衬砌质量检测，检测中在楼山隧道左右布设3条雷达纵测线，具体测线布置如图2所示。

3.2 仪器

本次探测采用的仪器为青岛LTD-2000及配套500 MHz天线，该仪器技术参数见表1。根据实测现场具体情况，并针对二次衬砌底界为目的体选取合适参数，确定了本次试验检测的工作参数：采样长度35 ns，采样频率8 000，采用多次叠加、连续扫描方式(20 m一个标记)进行野外实测。

表1 仪器技术参数表

3.3 推断解释

1)经过数据预处理，计算明洞已知厚度部分的复合介电常数，确定相对应的电磁波速，求取目的层的深度即二次衬砌厚度。2)分辨地质雷达图中干扰波和目标体波形的差异。如果地质条件比较理想，那么可以很轻易的从地质雷达图中获得我们想要的内容。但是，在实际条件下，地质条件往往是很复杂的，地质雷达图也因许多干扰信号而变得难以解释，常见的产生干扰信号的原因有以下几种：附着在衬砌上的金属物、电缆、因各种原因耦合不好的天线等。不同的干扰波具有不同的形态特征，可以区分辨认。

针对楼山隧道衬砌施工质量，经现场检测，处理数据后，处理后的图像有以下典型三类：

1)二次衬砌表面的钢筋。有时隧道围岩性质差，为了防止围岩产生较大的变形，往往在初次衬砌时设置钢拱架，二次衬砌时设置钢筋混凝土。使用地质雷达识别判断钢筋，图像中可看出波的反射信号强，钢筋在图像上呈连续的小双曲线形态。如图3所示为测线5现场标记20 m～66 m段(设计里程K8+905～K8+951)雷达波形彩图。

2)衬砌层与围岩之间存在空洞，图像中可看出波的反射信号强，同相轴呈绕射弧形，可能为多个连续弧形反射组成或不规则弧形反射组成。如图4所示为测线1现场标记114 m～158 m段(设计里程K8+519～K8+563)雷达波形彩图。由于该段衬砌设计为30 cm(二衬)+10 cm(初衬)，而图中衬砌层反射波形平稳，无明显异常变化，说明衬砌层结构良好，无明显空洞、不密实区域。图中圈定范围为雷达异常反射区域，推断出衬砌与围岩之间存在空洞，同时周边可能伴随有不密实区域存在。

3)衬砌层与围岩之间存在不密实区域。从图像中可以看出，波的反射信号较强，呈杂乱散点反射，如图5所示为测线3现场标记376 m～414 m段(设计里程K8+781～K8+819)雷达波形彩图。如图6所示为测线5现场标记372 m～414 m段(设计里程K9+227～K9+269)雷达波形彩图。

4 结语

用地质雷达检测隧道衬砌质量，以雷达波形彩图直观的展示了检测结果，从波形彩图中可以看出钢筋的数量，衬砌层与围岩之间是否存在空洞，衬砌层与围岩之间是否密实，且地质雷达探测方法具有无损、方便快捷、高效率等特点，广泛应用于公路隧道衬砌施工质量检测中。但是地质雷达检测方法仍具有不小的局限性，首先，检测大多只能定性的判别施工缺陷。其次，地质雷达无法判断出钢筋混凝土的衬砌厚度以及衬砌上轻微细小的缺陷，这些都需要在今后的研究中加以改善。