浅谈电磁波反射法在检测隧道衬砌质量中的应用

浅谈电磁波反射法在检测隧道衬砌质量中的应用

顾青海

北京市政路桥管理养护集团有限公司， 北京 101300

摘要：近年来，我国公路隧道建设得到快速发展，混凝土或钢筋混凝土作为隧道衬砌主要承重结构，在隧道安全运营中起到非常重要的作用。同时隧道衬砌结构在施工和运营过程中，逐渐暴露出来的病害也不断增加，对隧道衬砌质量进行全面把控十分必要。因此，本文采用电磁波反射法对隧道衬砌质量检测进行阐述，它能够准确、全面地判定隧道衬砌的质量缺陷问题，为施工现场质量管理及后期的检测养护提供基础性监督数据。

关键词：电磁波反射法；衬砌质量；应用

1. 引 言

混凝土或钢筋混凝土衬砌作为隧道结构的重要组成部分，隧道衬砌混凝土质量的好坏对施工和后期的安全运营起到重要的影响。然而，隧道衬砌混凝土在施工过程中受到各种因素的影响，都会存在不同程度的质量问题，诸如衬砌混凝土不密实、厚度不够和钢拱架、钢筋分布偏差及与初期支护间存在明显分层、脱空等缺陷，这些缺陷的存在对隧道衬砌结构耐久性和安全运营都会产生重大影响。故本次采用电磁波反射法（地质雷达法）对隧道衬砌质量缺陷进行检测，该方法能够快速、准确地对衬砌混凝土质量进行识别，改变了以往通过目测、钻孔等效率低的传统手段，具有操作简便、分辨率高、应用广泛，具有更高层次的发展前景优势。

2. 地质雷达检测技术

2 .1检测原理

衬砌结构层及背后空洞等质量缺陷是采用电磁波反射法（地质雷达法）进行检测。探地雷达检测技术的原理是利用高频电磁波（主频为数百兆赫兹）以宽频带短脉冲的形式，在隧道衬砌面通过发射天线传播到隧道衬砌内，经过不同的层面（或目的体）反射后返回至衬砌面，被接收天线所接收，并将接收到的信号经过数字处理，形成直观的图像显示出来，这些数字信号和图像同时储存在雷达主机中，再将雷达主机中的数据传输到计算机中，利用计算机对接收到的信号进行分析、处理，从而判定隧道衬砌的质量缺陷。其检测原理如上图所示。

2.2地质雷达探测系统组成及主机技术指标

（1）地质雷达探测系统组成

地质雷达探测系统以美国生产的SIR-20型为例。SIR-20型地质雷达包括雷达主机，雷达天线（50MHz、100MHz、400MHz、900MHz）、工业笔记本电脑、数据采集及处理分析软件、测量轮等设备组成。地质雷达天线可采用不同频率的天线进行配合使用，天线频率低探测距离长、精度低，天线频率高探测距离短、精度高。

（2）主机技术指标

1）系统增益不低于150dB；

2）信噪比不低于60dB；

3）采样间隔一般不大于0.2ns；

4）数据的触发和采集模式为距离/时间/手动；

5）具有手动或自动位置标记功能；

6）具有现场数据处理功能；

7）其他能够满足测试要求的相关指标。

3. 应用实例

3.1工程概况

该隧道位于北京西北部山区，隧道属于曲线短隧道。隧道入口里程桩号为K11+679，出口里程桩号为K11+747，隧道全长68.0m，全宽10.0m，净宽8.5m，横向按0.75m（检修道）+8.5m（行车道）+ 0.75m（检修道）布置，隧道为单洞双向公路隧道。隧道衬砌采用钢筋混凝土结构，路面为水泥混凝土铺装。

3.2现场检测

（ 1）测线布置

隧道施工过程中衬砌质量检测以纵向布线为主，环向布线为辅。两车道纵向布线应分别布置在隧道拱顶、左右拱腰及左右边墙部位，根据检测需要可布设5-7条测线，如遇到存在缺陷的地方可进行加密测试。隧道也可根据现场情况进行布置，特殊地段可进行网格状测线，路面中心测线应避开中央排水管和其他构造物的影响。

隧道衬砌测线布设如右图所示。

（2）检测方式

本次现场检测以纵向布线为主，采用连续的测量方式，使用雷达天线紧贴在衬砌表面沿测线纵向前移动。特殊地段或条件不允许时，可采用点测方式，测点间距不大于200mm，测线每5-10m应有显著的里程标记，目的是使雷达天线的行进距离与电脑显示屏上的前行距离相一致。天线的定位方法可采用手动打标定位法或测量轮测距定位法。

（3）介电常数标定

1）检测前应对喷射混凝土或二次衬砌的相对介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道根据实际长度进行调整标定次数，一般不少于1处，每处不少于3次，取平均值。一般混凝土的介电常数值取5或6。

2）在已知厚度部位或材料与隧道衬砌结构相同的其他构件上进行测量，且标定目标体的厚度一般不小于150mm，且厚度已知。标定记录中界面反射信号应准确、清晰。

3）标定结果中对于收发分离的天线，应按下式计算。

（式1）

式1中： —相对介电常数 无量纲

—雷达波在已知厚度的目标中传播的往返时间（s）

—真空中雷达波速度 3×10⁸m/s

—已知目标厚度（m）

—发射天线与接收天线的距离（m）

（4）其他固定参数的设定

仪器参数设置的是否准确、合理对检测过程及结论分析至关重要。检测前，需要对软件其他参数进行设定，此类参数一般固定数字或区间范围常数，不需要多次重复设定。即可进行下一步操作。

3.2检测方法

1）首先将安装在测量小车上的雷达主机与雷达天线连接，连接蓄电池和GPS网络设备，并启动电脑，使仪器设备处于正常使用状态。

2）打开雷达测量软件，并进行初始参数设置，包括测线编号、存储路径、测量方式等参数。使用雷达主机查找雷达天线，对雷达天线进行采样间隔、采样频率、介电常数参数设置，并查找宏文件，完成所有参数设定。

3）将所用雷达天线紧贴在衬砌表面，使雷达天线与前进方向一致，直至该测线完毕。

4）对雷达天线初始化，调整界面图谱背景颜色和选用天线的初始波形，保存天线相关参数后，进入到预测量界面（一般显示彩色灰度图界面即为正常）。

5）启动仪器上开始测量按钮，同时向前驱动测量小车和雷达天线前行，在此过程中，始终保持雷达天线与携带测量轮的测量小车前行的相对位置不变，即同时前进、同时停止。直至该条测线测试完成。

6）若在检测过程中遇到机电、跨越结构的构造物，可停止后继续测量，并记录相应的距离间隔。为保证测量的准确性，每条测线可划分为若干小段测试，每段宜采取100m、300m等间隔长度。

7）对检测存在明显质量缺陷或有怀疑时，可进行手动打码标记，并在记录中做简要情况说明。

8）对存在质量缺陷和怀疑的检测区域进行加密复测，确定该缺陷的准确范围，若有需要可进行钻孔进行比对验证。

9）重复上述3）～8）操作步骤，完成隧道全部测线的检测工作。

3.3检测结果

1）结合隧道衬砌混凝土的实际情况及相关资料的要求，依次对每条布设的测线图谱进行处理、分析。

2）在雷达图谱上准确标记出衬砌缺陷的位置范围，并对衬砌混凝土质量存在缺陷区域进行详细说明，一般包括缺陷类型、长度、宽度及深度，以厘米计。

通过对每条测线图谱的准确处理、分析，测试结果显示检测区域内衬砌混凝土密实，衬砌背后无明显空洞等缺陷。本次仅列举出检测测线中2段具有代表性部位的雷达测线图谱，即拱顶测线（100MHz）和左拱腰测线（400MHz）。

拱顶测线图谱（100MHz） 左拱腰测线图谱（400MHz）

4. 数据处理与解释

（1）数据处理

对采集的地质雷达数据图谱需要经过仔细分析、处理，才能获得良好的效果。可采用彩色灰度图或黑白灰度图方式进行处理，使原始数据（时间剖面）经过数字处理后可以得到时～深剖面图，对时～深剖面图加以分析，以最大可能的分辨率在图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用参数，并获得检测对象的整体图像，以此来判定衬砌混凝土存在的质量缺陷。

（2）混凝土结构背后密实度分析

1）密实：反射信号弱，图像均一且反射界面不明显。

2）不密实：反射信号强，信号同向轴呈绕射弧形，不连续且分散、杂乱。

3）空洞：反射信号强，反射界面明显，下部有多次反射信号，两组信号时程差大。

（3）混凝土内钢架、钢筋等预埋件判定

1）钢架、预埋件：反射信号强，图像呈分散的月牙状。

2）钢筋：反射信号强，图像呈连续的小双曲线形。

5. 结论

本文通过列举实例来详细阐述，采用电磁波反射法对隧道衬砌混凝土的质量缺陷进行检测，并对检测过程及数据处理、解释进行说明，使广大的专业技术人员能够准确的对衬砌混凝土质量进行检测，及时对存在质量缺陷的区域进行把控。同时，使地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量缺陷也存在不足之处，对检测人员专业知识要求高，对检测区域的质量存在怀疑时，需要现场钻孔相结合方式进行相互验证，才能得到最终的可靠性结论。尽管如此，地质雷达法检测隧道混凝土质量全面、快速、精度高等优点显著，日后这一检测技术将更加趋于完善、成熟，可将该技术方法纳入运营隧道定期检测或专项检测的工作中，为后期的养护管理对隧道衬砌混凝土质量检测提供基础性数据。

[参考文献]

1. 中华人民共和国行业标准. TB 10233—2004 《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》[S]，中华人民共和国铁道部发布，2004。

2. 中华人民共和国行业标准. JTG F60-2009 公路隧道施工技术规范[S]，中华人民共和国交通运输部发布，2009。

3. 交通运输部安全与质量监督管理司、交通运输部职业资格中心.何玉珊,程崇国等.公路工程试验检测专业技术人员职业资格考试用书.北京:人民交通出版社股份有限公司,2020。