地质雷达在高铁隧道检测中的应用李天佑

地质雷达在高铁隧道检测中的应用李天佑

李天佑

中铁十一局集团一公司湖北省襄阳市441000

摘要：随着我国的综合国力在不断的加强，运营高铁隧道的检修数量多、天窗时间短，主要采用目视检查、敲击等传统人工手段检测，效率低、准确性不高，给高铁隧道管理部门带来巨大的养护维修压力。利用地质雷达检测隧道衬砌与传统人工检查方法相比，具有无损、准确、高效等优点，并经过多年实践和发展，技术手段已日臻成熟，但其应用在运营高铁隧道检测时间不长。针对运营高铁隧道养护维修特点和要求，在总结多条线路检测经验的基础上，系统介绍隧道衬砌的地质雷达检测方法和流程，并给出常见隧道衬砌病害及干扰的雷达图像特征，对运营高铁隧道检测工作的有序开展和检测结果的科学解读具有一定参考意义.

关键词：高铁隧道；地质雷达；养护维修；衬砌

引言

随着客运专线和高速铁路的不断开通运营，安全运营，尤其是隧道拱顶衬砌质量对行车安全的影响不容忽视。为此，铁道部先后组织专业检测人员，对投入运营的时速250km及以上的武广、温福、甬台温、海南东环、合武和郑西等高等级铁路的隧道衬砌内部缺陷、背后回填不密实和空洞、衬砌厚度不足、渗透水、裂纹裂缝、钢筋布置不足、仰拱开裂、道床拱起、隧道突水等病害进行探测、排查和质量评估。地质雷达法检测隧道衬砌质量经过多年的实践和发展，技术手段已日臻成熟，但其应用在高铁运营隧道中时间不长。高铁运营隧道的特殊性和复杂性对检测工作的有序开展和检测资料的科学解读提出了更高要求，因此对高铁运营隧道衬砌质量检测方法进行深入研究和总结至关重要。

1检测原理

通过地质雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）发射天线向衬砌内部连续发射脉冲式高频电磁波，电磁波往内传播，在遇到有电性差异的界面或目标体（如混凝土内的钢筋，不密实区域或空洞）时即发生反射和透射（透射电磁波在下一界面上时会再发生反射与透射，直到能量耗尽）。地质雷达接收天线接收从相关界面或目标体上反射回来的反射波，并经电缆传递给主机并存储。利用专业分析软件，根据记录到的反射波的到达时间和电磁波在该介质中的传播速率，可以确定界面或目标体的深度，根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定目标体的性质及结构，探测原理如图1所示.

图1地质雷达探测原理示意

2数据处理及解译

2.1数据处理

由于不同介质介电常数不同，电磁波在不同介质界面处产生强烈反射信号，反射电磁波被地质雷达接收，以雷达图的形式记录。地质雷达图像间接反映了介质的各种状态，因此正确解释雷达图像需要进行合理的数据处理、正确的试验类比及丰富的判读经验等。数据处理主要用于剔除随机干扰和压制规制，避免达到凸显异常信号（振幅、波形及电磁波速度）。地质雷达数据处理包括预处理与处理分析，预处理一般包括里程校正，标题修正、添加标识等。数据处理流程见图2。

图2数据处理流程

2.2数据分析与判定

地质雷达检测数据的解释存在多解性，需全面考虑和综合分析确定。如海南东环客专隧道围岩情况较好，采样信号界面清晰；而郑西高铁隧道多处于Ⅳ级及以上围岩的黄土地区，由于黄土对电磁波的吸收，则后者数据信号较前者弱。必要情况下，需对有异议处进行复测或验证。1）衬砌界面：雷达波经雷达天线发射后，最先到达接收天线的雷达波为空气直达波，次之为衬砌表面的直达波，再为混凝土和围岩面的反射波。强能量连续的同相位波为二衬与初衬的界面，如图3（a）所示。2）密实：信号较弱，甚至没有界面反射信号。3）不密实：由于衬砌背后没有完全回填，衬砌与围岩之间存在明显空隙，雷达图像表现为衬砌表面反射信号增强。若衬砌内部混凝土有蜂窝麻面，则界面反射信号的同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散，如图3（b）和图3（c）所示。4）空洞：衬砌界面反射信号强，三相位特征明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时差比较大。如图4（a）所示。5）接触网吊柱：雷达剖面图像呈抛物线形状，抛物线顶点对应吊柱的位置，并等间距重复出现，信号明显增强。由于接触网金属吊柱对电磁波信号干扰强烈，因此吊柱附近的缺陷被掩盖，无法准确判释，如图4（b）所示。6）裂缝：通常表现为同相轴明显错动、同相轴局部缺失、波形畸变和频率变化等。地质雷达波在混凝土中的波长为20～30cm/ns，且最小垂直分辨率为波长的1/4～1/8，即2.5～7.5cm，因此地质雷达仪对细小缝隙无法判释，如图4（c）所示。7）钢筋网和钢拱架：钢筋网呈密集分布，钢拱架等间距分布，且信号增强，如图5所示。8）渗漏水：隧道渗漏水形成的原因有多种，如衬砌周围的天然水对衬砌产生酸性或盐性腐蚀；拆模时间过早或围岩压力超过衬砌体的设计荷载而导致的缝隙等。渗漏水对混凝土衬砌强度、钢轨连接部件寿命等均会产生不良影响，严重时危及行车安全，应及时处理。

2.3注意事项

运营高铁隧道的养护维修作业管理要求严格，因此在运营高铁隧道检测过程中还应注意以下事项：（1）高铁隧道现场检测前，须对现场人员和检测设备逐一清点，然后有序进入检测现场。检测工作完成后离开检测现场须做到工完料清，防止遗漏物品在高铁隧道内。（2）检测工作必须严格控制在天窗时间内进行。检测过程中，须确保检测区间内接触网线路断电、接地，同时封闭检测区间，做好现场的安全防护，以保障检测人员及设备的安全。（3）高铁隧道内布置有等间距的接触网吊柱等附属设施，检测过程应尽量避免检测设备触碰接触网设施：当检测设备行进到接触网吊柱周围时，应将雷达天线放低至不与接触网吊柱发生触碰的位置，待其通过接触网吊柱后，再将天线恢复到采集位置，不断反复该操作过程。（4）检测时天线应移动平稳，速度均匀，检测速度应满足采样间距不大于2cm的要求；分段检测时，相邻检测段搭接长度应大于10m。（5）检测过程中应做好记录，包括测线编号、位置、方向、标记间隔，技术参数，天线中心频率，异常或干扰（如避车洞、接触网吊柱等）位置以及衬砌破损，并需根据检测过程中的干扰变化和图像效果及时调整参数设置。（6）检测时应每10m标记现场里程，以利于数据处理阶段的里程校正。

结语

（1）地质雷达可检测出运营高铁隧道的衬砌厚度，钢拱架、钢筋分布，衬砌内部及背后密实状况等，可为高铁隧道衬砌病害的整治提供依据。（2）检测工作开展前，需要做好现场调查、资料收集，掌握隧道结构、施工工艺、围岩情况、地下水、隧道内其他附属设施以及其他电磁波信号干扰源等信息，以利于雷达剖面图的准确解译，避免造成检测结果的漏判或误判。（3）由于隧道内接触网吊柱为金属材质，其产生的强反射信号覆盖衬砌中其他有效的异常信号，从而影响雷达数据的解译，范围为接触网吊柱两侧沿测线方向前后各3m左右。

参考文献：

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