探地雷达检测隧道衬砌中的几个问题

1探地雷达检测隧道衬砌中的几个问题钟世航1王荣2（1.北方交大、中国铁路工程总公司隧道及地下工程实验研究中心,北京1000442．钟世航工作室，北京，100081）摘要：文中介绍了作者对几十座隧道用探地雷达作衬砌检测的经验及典型图象，并提出了目前雷达检测定性定量解释的几个问题及应进一步研究解决的内容，指出，应实事求是地评价和宣传目前工作及方法的优点和局限。关键词：探地雷达，质量检测，隧道衬砌探地雷达已被大量用于工程检测中，并已取得很好的效果。作者们在近一年半内就用探地雷达作过65座隧道的衬砌质量检测，隧道总长达57km以上，雷达探查测线长近250km,打印的时间剖面图长度累计达4500m以上。这些检测既包含对隧道衬砌质量的评价，又包含对隧道竣工后的隐患探查，还要对存在的质量问题提出需作处理的部位及处理的工程建议。因此，这种检测不单纯是使用物探技术问题，并且需要有较多的隧道设计及施工方面的知识。即使是物探本身的定性定量解释方面，也还存在许多问题，工作做得越多，越感问题之多。1概述隧道衬砌质量检测包括5个内容，即：隧道衬砌厚度；衬砌背后未填实的空区；复合式衬砌两层衬砌间较大的空段；施工时坍方位置及坍方处理情况；围岩中地下水向隧道侵入的位置。隧道的衬砌有两种形式，一种是单一模筑混凝土衬砌，衬砌中有的设钢筋网，有的为素混凝土；另一种为复合式衬砌，开挖后先用喷射混凝土（有的有钢筋网、钢拱架）作初期支护，然后再浇筑一层模筑混凝土，两层间常夹一层防水板。对单一模筑混凝土衬砌，开挖时岩面有较大的凹凸不平，衬砌背后未填满的空区就是隐患；对复合式衬砌，两层衬砌间有较大的空段也是隐患。施工时坍方处应作处理，处理得是否合要求是要检测的主要内容；而坍方地段施工时不一定都有向上报送的记录，因而查出这些坍方地段及处理情况，也是检测的内容。模筑衬砌因围岩好坏而设计厚度不同，也因在隧道横断面的不同部位而厚度不同，从30cm到150cm不等。喷层的厚度则从5cm～20cm不等。围岩中的地下水，是隧道漏水的根源，即使开挖时是干燥的，由于隧道开挖后形成水压为02的空间，也会引导地下水向隧道集中，若地下水突破衬砌防护，就会出现漏水病害。隧道竣工后要进行质量评定，有的还要申报优质工程，因此检测结果很重要，无中生有，将影响隧道评价，有问题而检查不出，一旦隐患出现了问题，检测者将要负责任。有些隧道是在喷射混凝土完成后要求检测，以便评价喷射混凝土衬砌是否合格，再决定是补厚还是允许作第二层模筑衬砌，这时工程往往停工等待检测结果。一些隧道存在这样那样的问题，在工程验收前可以采用工程措施作加固处理，消除隐患，提高质量。因此对隐患、工程问题应有定性定量的描述，一般情况下，要求检测方希望检测方提出处理意见。有些检测是在隧道通车后，甚至是发生了可以看得见的问题之后进行，要判断产生病害原因，以便作处理。通常在隧道中沿轴（纵）向布置5条测线：拱顶，左、右拱腰，左、右边墙。为了在隧道中快速检测，需要组装工作台架，工作人员在上面工作，使天线可以与隧道衬砌表面密贴并可用约5km/h的速度滑行。图1为作者所用的不同类型及牵引的工作台架。衬砌表面不平，常有钢筋、铁丝、截面突变；通车了的电气化铁路隧道中有接触网及每隔30～40m的一道横拉的钢缆；通车的公路隧道中有轴流式通风机及照明灯等障碍物。在测线上施测时，必须绕避这些障碍物。作者采用过美国的SIR型雷达、加拿大的puleEKKO型雷达、瑞典的RAMAC/GPR型雷达，北京爱迪尔公司产的CBS型雷达。它们都能满足要求。为工作便利在天线底固定一带轮的平板。使天线能顺利在衬砌表面滑行。图1在已铺轨的隧道中用机车或轨道车牵引台架作检测3图2在已铺轨的隧道中用可升降可旋转台架作检测图3在铺道渣或未铺底的隧道中用汽车载台架作检测图4在已通车的公路隧道用汽车搭台架作检测42主要探查目的物的图像2.1衬砌界线混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩（或其间空区中的空气）有明显的介电常数差，因此在时间剖面图上，衬砌底面和岩石之间有明显的界线。雷达发射的直达波延续4个周期以上，呈现几条平直的水平同相轴的图像,0～12ns左右的目标物的反射波均与它相叠。但围岩开挖总有或大或小的不平，故衬砌底界，即它与围岩的分界面的反射波同相轴一般为有起伏的非直线图像。喷射混凝土与模筑衬砌介电常数有差别，但不是很大，它们之间若接触很好或粘结，则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。如果喷射混凝土中有钢质拱架和钢筋网，由于它们可强烈地反射雷达波，故可看到连续的绵延的反射图像。图5衬砌底界（C1）与模筑衬砌底界（C2）图像图中G为钢质拱架J为钢筋网W为地下水K为二层衬砌间的小空2.2拱架与钢筋网雷达对钢质的拱架及钢筋网有很好的反映。可见图567中的钢筋网图像，92和图10上则有钢质拱架的图像。5图6衬砌中的中的钢筋网（1）和变截面干扰（2）2.3空洞与较大的空隙喷射混凝土与模筑衬砌间不超过1m2的空隙，其典型图像是一个双曲线形同相轴（它与溶洞、坍方回填体中的空洞图象相近，可参看图9～11中的典型图像）。大的空区则需从喷层面与模筑衬砌间不粘接这种情况去判释（图8）。对于喷射混凝土+模筑的复合式衬砌，二者之间的空隙应在雷达图像上有如下特征：喷层表面和模筑衬砌底面间存在空隙，混凝土与空气相接而产生较强的反射波，在图像上出现清晰而连续的同相轴，与喷层与模筑衬砌间粘接较好时出现的不清晰或不存在反射同相轴或钢拱架和钢筋网形成的断续而绵延的图像有所区别（图7）。采用灰度方式打印的时间剖面对此反映不够清晰，作资料判释时在计算机显示屏上显示出彩色色条图像，不同颜色色条反映不同的反射波振幅，根据由颜色来反映的反射波振幅大小来分辨喷层与模筑混凝土间是否有空隙比较清晰。若反射波振幅较大，则表明二者间有空隙，振幅大者为空隙较大者。6图7复合衬砌两层间较长空区图像（K）图中C1为衬砌底界，C2为模筑衬砌底界P1为两层间粘合好之喷层面P2为两层间空的喷层面图8衬砌背后较长空区图像（K）图中Y为开挖的岩面，C为衬砌底面2.4坍方发生过坍方的地方雷达图像有两个特征：(1)发生坍方处，岩体的表面与回填的物质有明显的界面；(2)发生坍方处，岩体有松动，松动的岩体的节理面等对雷达波反射，使坍方处岩体产生比未坍岩体强而深的反射图像。坍方往往与地下水活动相伴，或坍后岩体松动易导引地下水汇集，地下水的活动在图像中有反映。坍方后回填若有空洞，可在图像上反映。7图9一处坍方图象，坍深约2m图中G为钢质拱架,C为衬砌底界，K为回填体中的空洞图10一处坍方，坍深约3.5m图中G为钢质拱架W为地下水K为坍体中未填实的空洞2.5地下水地下水往往沿岩体中节理裂隙向隧道渗流。水对雷达波有强烈的反射，造成地下水运动强烈地段明显的雷达波反射特征。地下水渗入到衬砌中也对雷达有明显的反射。图5、9和图10、11标记W者即为围岩中地下水或侵入到喷层和模筑衬砌间的水的图像。由于隧道开挖，在岩体中出现空区，形成水压为0的集水空间，因此，即使开挖时干燥的隧道，在开挖后2、3年，甚至运营几年后，也可能产生水的聚集，出现水害。在处理隧道漏水时，掌握围岩中地8下水通道的位置是很必要的。2.6围岩中的溶洞的图象有些隧道穿过石灰岩等易溶蚀的岩体，隧道围岩中有溶洞，这是潜在的危险。检测中可发现这些溶洞。图11为其中一分资料。图11围岩中的溶洞图象（R）图中K为两层间的小空W为地下水，可见到已侵入到防水板3定性及定量解释中的几个问题3.1砌底界和衬砌中不同层的分层判定雷达发射的子波通常为3～4个周期，对于较薄的衬砌，其底界的反射信号往往与雷达的直达波相叠加。复合式衬砌两层衬砌间的界面的反射波也必与雷达的直达波相叠加。资料解释时如何辨别这些基本上是水平的反射面的反射波是一个关键。近来，有一些论文介绍了利用波动方程偏移、小波变换、分形技术等来分辨异常，但尚未投入大量的实用。面对这样大量的图件、资料，作者依靠对探测对象的较深入认识、对施工工艺及施工过程的认识，对反射面两边介质产生的图象细节的不同来作出分辨：(1)隧道采用钻爆法开挖时，周边孔必有向外的偏角，加之岩体的节理，爆破后的开挖岩体表面凹凸不平、显锯齿状，因此其反射波同相轴示不平直，有1～3ns的起伏；(2)岩体中有节理发育、有岩性变化，也有地下水沿节理和裂隙侵入，而衬9砌中有钢筋，有钢拱架，它们的雷达图象有差别。(3)喷射混凝土层表面起伏不平，二次衬砌的模筑混凝土面则基本平顺。图6、8是反映衬砌底界的喷层与模筑界面的典型图象。3.2衬砌厚度的定量计算的困惑有人介绍，他们能以毫米级的精度给出衬砌厚度值，并得到钻孔验证。作者认为，这或许是巧合，或许是另有玄机。因为从钻孔中用钢尺丈量衬砌的厚度，其误差也在1～2cm以上。众所周知，雷达测得的是雷达波的反射时，而厚度为D=（Δt·V）/2V为雷达波在介质中的传播速度V=C0/ε其中C0为雷达波在空气中的波速C0=30cm/nsε为介质的介电常数，空气的ε=1，水的ε=80，混凝土的ε=4.5～7，岩石的ε=4～15因此，雷达检测给出厚度（深度）的精度取决于取得的波速的精度。有一些工作者通过查表选取ε值，显然是不可行的。现场实测波速值是必须的。用共中心点法、钻孔旁短剖面法、在已知衬砌厚度处实测等都是可选择的方法。据作者统计，实测的混凝土衬砌波速差可达10%以上。在十几个隧道中仅测取几个波速值是远远不够的。因此，作者对每个隧道都要测取2个以上波速值，以争取达到±2cm的检测精度。其次，发射与接收天线间的有一定距离，多在15～25cm间。对于较薄的测量对象，测量的结果应当作偏移距校正。在处理软件中没有自动校正计算程序的情况下，手工校正的工作量极大，而且仪器说明书上并未注明天线距。作者采取了一个变通的办法：用检测时使用的天线，对相近厚度的衬砌作孔旁测深，这样反算出一个速度值，它并不是真的速度值，可称之为“视”速度值。用这个速度值去计算衬砌厚度，而不去绕弯使用ε。实际上在不知道天线距的情况下，算出的ε值也是不准确的。由于要测的衬砌界面常常是凹凸不平的，直接由反射时计算的深度值并非该测点垂直衬砌表面的深度，需要作偏移校正，特别在开挖的岩面过于起伏时，不10作偏移校正会带来较大的距离误差。在被检测方要打钻孔验证或有隐患地点要钻孔注浆处理时，这种距离误差是不可忽略的，应当添加偏移校正的程序。目前，人们只能采取一些别的办法避免被测方因此而产生的误解。3.3两层衬砌之间空段的判释在复合式衬砌中，先作喷射混凝土支护，然后铺设防水板（有时不设防水板），最后浇筑模筑混凝土衬砌，如果两层衬砌之间密贴很好，则两层间界面的反射波很微弱，若两层之间有较大的空，则雷达波从模筑混凝土层进到空气，再进入喷射混凝土层，两层间的空区产生较强的反射波。如果此空有5cm以上高，有可能得到两个反射波（模筑衬砌与空气界面及空气与喷射混凝土界面），这两个反射波的相位是相反的。被测者有时希望给出这一空区的高度。但这一高度实际上是测不准的，因为这空区中充填的是含水率较高的空气，干燥空气的ε=1，水的ε=81，空区的空气中含水率多少无法判定，所以潮湿空气的ε也无法判定，目前也无法实测。所以作者主张明确说明只能给出概略值。4小结用探地雷达检测隧道衬砌的质量有很大需求，雷达也能较好地完成任务。但出于经济原因，需要考虑工作效率，既要考虑现场采集数据的效率，也要考虑资料处理及定性定量解释的效率。为此，有必要增添一些处理及解释的程序，也有必要采用一些变通办法在一定条件下简化内业工作。在进行定性定量解释时，应认清目前雷达及处理软件存在的问题，特别是应注意定量解释的精度取决于选取的波速的精度，应当加强现场实测波速的基础工作，并应考虑天线收-发距的问题，避免出现不实或误会。在作隧道衬砌检测时，下工夫收集与熟悉设计资料，尽多地了解隧道的有关规范，掌握设计与施工知识是十分必要的。参考文献：［1］钟世航，应用物探方法检测隧道衬砌质量，隧道及地下工程学会第七届年会暨西单车站工程学术讨论会论文集，北京，1992.6：355-359［2］钟世航，隧道衬砌状态检测技术进展