铁路隧道衬砌质量地质雷达检测技术应用

铁路隧道衬砌质量地质雷达检测技术应用

杨耀辉

陕西卓信工程检测有限公司  陕西 西安 710000

摘要：地质雷达由于具有无损、高精度、高分辨率以及低成本等优越性，其应用已渗透到铁路隧道施工和后期运维的全过程，应该充分利用现有成熟的雷达检测技术，尤其在施工过程中，要重点进行隧道衬砌检测，使其发现施工过程中工程质量问题，能够及时进行纠正处理，避免造成最终实体工程质量问题；施工过程中隧道衬砌检测，可使其工程质量受到控制，离开过程中检测工作，隧道衬砌质量往往得不到控制，因此，隧道衬砌检测工作是控制隧道工程质量的重要技术保证。

关键词：地质雷达 铁路隧道 衬砌质量 技术应用

前言

隧道是铁路工程中重要的组成部分，其质量直接关系到铁路线路的安全和可靠性。隧道衬砌是隧道内壁的一种保护结构，对隧道的使用寿命和安全性起着至关重要的作用。传统的衬砌质量检测方法主要依靠人工观察和检测仪器测量，存在着工作量大、耗时耗力等问题，不能满足工程实际需求。地质雷达技术作为一种无损检测技术，具有快速、准确、全面等优势，已经在地质、工程和环境领域得到广泛应用，值得进行进一步探索。

一、地质雷达工作原理

地质雷达是一种用于探测地下结构的电磁波探测技术，其工作原理基于电磁波在地下介质中的传播特性。地质雷达系统通常由一个发射天线和一个接收天线组成，这两个天线通常位于同一设备中，并可以同时进行发送和接收操作。其可以通过发射天线发射超高频窄脉冲（106～109Hz）电磁波。这些电磁波在地下介质中传播时，会遇到不同的地质界面，如岩石与土壤的界面、不同矿物质的界面、空洞的边界等。由于介质的电性差异（如介质的导电性、介电常数等）而发生反射、折射或衰减。对电磁波的传播特性会产生影响，导致电磁波的传播速度和路径发生改变。

地质雷达波（雷克子波）如下图：

实际检测时，雷达天线沿测线从左向右移动，如下图；地质雷达的接收天线接收到从地下反射回来的电磁波，接收到的信号会被放大并记录下来，形成雷达图像。这些图像反映了地下结构的性质和位置；如下图所示

二、地质雷达的特点

1、地质雷达是一种无损检测技术，它不需要对被检测物体进行破坏，适用于各种材料的检测，如混凝土、沥青、土壤等。这使得它也非常适合用于隧道衬砌质量的检测。

2、地质雷达的电磁波在传播过程中具有较强的抗电磁干扰的能力。这意味着雷达可以在较为复杂的环境下进行探测，而不受电磁干扰的影响。

3、地质雷达的探测深度通常较大，可以探测到较深层的物体。这使得它能够检测到隧道衬砌中的一些深层问题，如裂缝、空洞等。同时，雷达的分辨率较高，能够准确地识别出物体之间的界限，从而提高了检测的精度。

4、地质雷达设备通常比较轻便，易于携带，方便在不同环境下进行操作。这使得雷达在现场检测中具有很好的实用性，能够快速地进行检测并获取结果。

三、检测技术规范要求

1、铁路隧道衬砌质量无损检测规程（TB10223-2004）技术要求：

a.用途：地质雷达法适用于检测衬砌厚度、衬砌背后回填密实度和衬砌内部钢架、钢筋等分布；

b.技术指标：可采用不同频率的天线组合；具有屏蔽功能；最大探测深度应大于2m；垂直分辨率应高于2cm；

1）垂向分辨率

一般把地层厚度b=λ／4作为垂直分辨率的下限；

其中：b为厚度，λ为波长；

2）横向分辨率

发射和接收天线的距离远远小于h时：

其中：λ为波长，h为异常体的埋藏深度；

波速v=λf，空气中的电磁波速约3*108m/s；1MH=106HZ；

c.介电常数的标定

（1）每座隧道不少于1处，每处实测不少于3次，取其平均值为该隧道的波速或介电常数。（当隧道大于3km，衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数）；

（2）标定目标体厚度一般不小于15cm，且厚度已知；

（3）标定记录中界面反射信号应清晰、准确；

（4）标定结果的计算：

d.衬砌背后回填密实度的主要判定特征

（1）密实：表现为没有反射信号或较弱的反射信号。

（2）不密实：表现为反射信号错断、不连续，呈绕弧状，较分散。

（3）空洞：表现为反射信号强，三振相明显，反射信号下方有较清晰的界面，两组信号时差较大。

e.钢筋、钢架主要判定特征

（1）钢筋：表现为连续的小双曲线，信号反射强。

（2）钢架：表现为分散的月牙形，信号反射强。

2、铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定（铁运函2004【174】号文）技术要求：

（1）厚度、强度量化指标：

（2）空洞、密实度量化指标：

四、现场检测

1、测线的布置

在检测隧道衬砌质量之前，必须核实现场标记，确保里程标记无误。依据《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10223-2004）进行纵向布线（双线隧道隧底中线的左右两侧各1条）。隧道测线布置见下图：

2、介电常数的标定

a.每座隧道应不少于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数；当隧道长度大于3km，衬砌材料或含水量发生较大变化时，应适当增加标定点数。

b.明洞、避车洞口处标定

为增加标定的准确性和标定界面的发射信号的有效性，应该在衬砌背后放置金属板（有利于信号的全反射），多次测量，选取信号明显的进行标定。

c.测量时窗的选择

d.现场准备

1）测线每5～10m应有里程标记；

2）检测前应检查设备正常；

3）检测时应以3～5km/h的速度平稳检测;

4）如需进行分段测量，则应以1m作为相邻接头重复长度的最小值；

5）完整记录测线号、方向、标记间隔、天线类型等；

6）准确做好记录并标记检测位置。     

五、数据处理分析

1、零线的选择：介质的介电常数减小时，产生同相位的反射波；介质的介电常数增大时，产生反相位的反射波。

2、滤波

对地质雷达信号而言，一维数字滤波（以后称为一维滤波）处理具有如下：

a.地质雷达信号存在不同频率干扰，对干扰信号需要去除。

b.不同地下介质对雷达波的响应特征不同，主要表现在能量吸收，波长变化和频率变化等。

c.采集系统存在低频漂移需要压制。

一维滤波处理可以分为两种形式：FIR滤波和IIR滤波。

滤波范围：0.5f～2f，f为使用天线的主频频率。

3、增益、反褶积

a.增益：一般采集时高频天线通常选择3个增益点，低频天线选择5个增益点；增益函数本身应该是平滑的；增益过大容易消波，增益过小结构内部特征显示不明显；

b.反褶积：雷达探测的目的是从雷达记录中反演地质构造，这个过程称反褶积；消除一个目标多次波的干扰，把雷达子波压缩成尖脉冲，提高纵向分辨率。

4、背景消除:消除水平同相轴，去除持续存在的水平波干扰。

六、工程检测实例

某工程铁路隧道，衬砌地质雷达检测波形图如下：

图6-1 二衬与初支分界面检测图像        图6-2 二衬内部脱空检测图像

图6-3 初支钢拱架分布检测图像          图6-4 二衬钢筋缺失检测图像

七、结束语

地质雷达作为一种高精度、非破坏性的探测技术，具有抗电磁干扰强、探测深度大、分辨率高和便携性好等特点，非常适合用于铁路隧道衬砌质量的检测。

通过实际工程案例的验证，地质雷达技术在铁路隧道衬砌质量检测中具有显著的优势，可以提高检测的效率和准确性。本文的研究结果表明，地质雷达技术可以有效地检测出铁路隧道衬砌的空洞、厚度、钢筋钢架等缺陷问题，为隧道工程的质量管理提供了技术支撑。

参考文献

[1] 铁路隧道衬砌质量无损检测规程(TB10223-2004)[S].北京:中国铁道出版社,2004

[2] 铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定（铁运函2004【174】号文）北京:铁道部,2004

[3] 王兴照.地质雷达在铁路隧道工程检测中的应用分析[J].土工基础,2008