隧道工程由于種種原因運(yùn)營一段時(shí)間后，可能會出現(xiàn)表面裂紋、滲漏水等病害，通常這些病害多是由隧道潛在的隱患導(dǎo)致的，如襯砌厚度不足、襯砌背后存在大面積空洞或回填不密實(shí)等。由于隧道工程是隱蔽性工程，因此需要一種有效、快速、無損的方法和手段進(jìn)行檢測。本文結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例介紹了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道工程無損檢測中的應(yīng)用，供參考。
一、地質(zhì)雷達(dá)方法概述
地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)作為一種無損檢測技術(shù)(Non-DestructiveDetection)，自上世紀(jì)70年代開始應(yīng)用至今已有30多年的歷史，在工程各個(gè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，主要解決場地勘查、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和地質(zhì)構(gòu)造等問題。地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的[1，2，3，4]。
其探測過程如下：地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁脈沖，此脈沖在向地下傳播過程中遇到地下介質(zhì)分界面時(shí)會產(chǎn)生反射。反射波傳播回地表后被接收天線所接收，并將其傳入主機(jī)進(jìn)行記錄和顯示，每一測點(diǎn)接收到一道雷達(dá)波形，一條測線上全部測點(diǎn)的雷達(dá)波形排列在一起，形成完整的雷達(dá)剖面，經(jīng)過資料的后處理，進(jìn)行反演解釋便可得到地下地層或目的體的位置、分布范圍、埋深等。
二、隧道工程檢測應(yīng)用實(shí)例
（一）隧道概況
某鐵路隧道全長500m，隧道位于曲線上，坡度為8.8‰。該鐵路隧道在里程K1047+899～K1047+944(隧標(biāo)125m～170m)范圍內(nèi)，產(chǎn)生了襯砌裂紋22條，其中縱向裂紋18條(長度超過10m的有2條，裂紋長度界于5m到10m之間的有8條，5m以下的有8條)，環(huán)向裂紋4條，裂紋寬度分布在0.5mm～20.0mm之間;施工縫處滲漏水嚴(yán)重。運(yùn)營部門發(fā)現(xiàn)了病害后立即采取了措施，并組織相關(guān)單位和部門對隧道進(jìn)行了檢測和維修加固。
（二）試驗(yàn)儀器及設(shè)備
本次試驗(yàn)采用的是加拿大Sensors&SoftwareInc.(簡稱SSI)公司生產(chǎn)的PulseEKKO1000A型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)及其該公司開發(fā)的具有先進(jìn)分析功能的EKKO-View Deluxe[5]數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。
（三）檢測過程與方法
本次檢測選用的天線頻率為450MHz，數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)模式對隧道壁進(jìn)行快速掃描。該檢測在電氣化檢修作業(yè)車平臺上進(jìn)行，檢測時(shí)作業(yè)車勻速行駛，速度控制在3km/h。
1、試驗(yàn)儀器及設(shè)備
本次檢測的里程范圍為K1047+899～K1047+944(隧標(biāo)125m～170m)，檢測的隧道長度為45m，測線總長度為225m。測線布置在隧道拱頂(測線1)、左右拱腰(測線2和2’)、左右邊墻(測線3和3’)，共5條測線。由于電氣化接觸網(wǎng)的限制，拱頂測線左偏移隧道中心線1250px，詳細(xì)的測線位置及編號如圖2所示。
2、數(shù)據(jù)分析與資料處理
為了將電性分布轉(zhuǎn)化為介質(zhì)分布，判讀出襯砌厚度及背后回填等有用信息，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理是在EKKO-View Deluxe[5]專用軟件下進(jìn)行，該軟件為PulseEKKO1000A型地質(zhì)雷達(dá)配備的數(shù)據(jù)后處理軟件，為視窗平臺，包括項(xiàng)目建立、水平濾波、垂直濾波、二維濾波、屬性分析、反褶積[6]、增益調(diào)節(jié)、色彩變換、數(shù)據(jù)編輯、偏移、地形校正、比例調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、繪圖等各種功能，為數(shù)據(jù)的后處理提供了便利條件。
3、電磁波傳播速度測量
地質(zhì)雷達(dá)檢測襯砌厚度時(shí)，儀器記錄的是界面反射波的雙程走時(shí)。因此，只有求得地質(zhì)雷達(dá)電磁波在襯砌砼中傳播的速度，才能計(jì)算出襯砌的厚度。該隧道電磁波的傳播速度是由已知厚度法求取的。在里程136 m拱頂處鉆了一個(gè)孔，其襯砌厚度值及對應(yīng)的雙程走時(shí)分別是1750px和14.1ns，據(jù)此求得電磁波傳播的平均速度為248.225px/ns。
（四）檢測結(jié)果與分析
從檢測結(jié)果來看，測線2’襯砌厚度滿足設(shè)計(jì)要求;其余各測線大部分襯砌厚度達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的0.90m以上，部分地段襯砌厚度分布在設(shè)計(jì)厚度的0.75～0.90m之間，但連續(xù)地段小于5m。在檢測的測線中，共檢測到11處襯砌背后松散回填區(qū)，該異常體分布的測線長度為83m，占測線總長度的47.4%。其中測線1回填松散區(qū)段16m，占測線長度的45.7%;測線2回填松散區(qū)段11m，占測線長度的31.4%;測線2’回填松散28m，占測線長度的80%;測線3回填松散區(qū)段26m，占測線長度的74.3%;測線3’回填松散區(qū)2m，占測線長度的5.7%。隧道襯砌檢測典型GPR剖面圖見圖3。襯砌厚度部分不足及襯砌背后存在大范圍的回填松散病害是導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生裂紋的其中一個(gè)因素。經(jīng)綜合考慮隧道襯砌裂紋、松散回填等病害，參照相關(guān)規(guī)范，該隧道襯砌安全等級評定為AA級，屬極嚴(yán)重。
（五）檢測結(jié)果驗(yàn)證
為判斷檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證。
1、襯砌檢測厚度驗(yàn)證及計(jì)算誤差
襯砌厚度計(jì)算誤差主要來源于電磁波速度變化和界面判識的準(zhǔn)確度。一座隧道內(nèi)，襯砌混凝土的標(biāo)號和密實(shí)程度、不同區(qū)段含水量的不同等各種因素都會造成速度的變化。而在計(jì)算襯砌混凝土的厚度時(shí)，只能取一種固定的速度，從而形成厚度計(jì)算誤差。界面判識(讀取回波時(shí)間)的準(zhǔn)確度，取決于界面明顯程度、干擾波的大小和判識者經(jīng)驗(yàn)，這些都可造成襯砌厚度計(jì)算誤差。表1為檢測結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果對比表。
隧道襯砌厚度誤差可控制在±75px以內(nèi)，能夠滿足工程上的精度要求。
2、襯砌回填松散驗(yàn)證
隧道襯砌背后回填情況檢測結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果見表2。
三、結(jié)束語
應(yīng)用結(jié)果表明，GPR具有無損性、高效率性、高分辨率、易判讀性、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，值得在工程無損檢測中推廣使用。值得注意的是，GPR技術(shù)探測的地球物理基礎(chǔ)是介電常數(shù)ε之間的差異，理論上混凝土的介電常數(shù)(6.4)與圍巖介質(zhì)的介電常數(shù)(水為81、粘土5～40、巖石4～15)之間有較大的差異，但由于工程材料的復(fù)雜性和圍巖介質(zhì)的不確定性，介電常數(shù)在一定范圍內(nèi)會有較大的變化，在某些探測區(qū)段可能會造成GPR剖面上反射界面不明顯，需要在今后有待進(jìn)一步研究和解決。
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