（道路与铁道工程专业论文）地质雷达应用于公路隧道衬砌无损检测的实验研究.pdf

摘要 随着我国公路工程的发展，地质雷达在公路隧道衬砌检测中获得了广泛的应 用。作为一种高效、先进的无损检测方法，地质雷达法能够对隧道衬砌实施连续 扫描，获得形象直观的探测图像。然而，由于地质雷达在我国的应用时间还非常 短暂，在实践的过程中还存在许多问题，如地质雷达的探测精度和雷达图像的判 释依据等，这些问题在很大程度上影响了地质雷达探测结果的准确性。 地质雷达的发展和成熟是建立在电磁理论基础上的，电磁波理论及电磁波的 传播规律是地质雷达技术的基础。正确认识电磁波的基本理论和地质雷达的工作 原理，为实验数据分析提供理论指导；合理设置雷达检测参数，为科学采集实验 数据做好准备；熟练掌握数字滤波技术和雷达图像波形特征，为分析和处理实验 数据提供依据。本文就上述内容作了简要的介绍。 目前，在公路隧道衬砌的雷达无损检测中，雷达波速选取的准确与否直接关 系到衬砌厚度的探测精度，而衬砌相对介电常数决定了雷达波速。本文通过精心 设计，实验模拟隧道衬砌结构，在其不同深度埋设了钢筋，基于钢筋对雷达波的 全反射原理，利用钢筋客观上给试件分层，用r a m a c g p r 地质雷达对不同深度的 钢筋进行探测，从而得出不同钢筋埋深处的衬砌的厚度；同时分析混凝土龄期对 雷达波波速的影响，最后定性分析了相对介电常数与实验试件厚度之间的关系。 通过实验，可得出以下结论：雷达波速随着混凝土龄期的增长而增长；在同一龄 期条件下，雷达波波速随着试件厚度的递增而递减；相对介电常数随着试件厚度 的递增而相应递增，大致呈线性关系，这是在同一龄期条件下，雷达波波速随着 试件厚度的递增而递减的内在原因。由此提出，在进行衬砌厚度的雷达探测时， 根据衬砌厚度对雷达波速进行分级，这样在现有的雷达探测条件下，可以提高衬 砌厚度探测的精度。 对隧道衬砌脱空和空洞的尺寸探测与形状判别一直是雷达无损检测的难点， 本文以此为切入点，设置衬砌不等间脱空高度和圆台形与方形两种规则体空洞， 通过雷达探测实验，探讨了雷达在公路隧道衬砌无损检测中的探测潜力。通过实 验分析，得出以下研究成果：8 0 0 m h z 雷达天线可准确识别混凝土衬砌与喷射混凝 土，但用于探测防水层的脱落仍不可行；当衬砌脱空高度大于5 锄时，8 0 0 m h z 雷 达天线可准确地识别脱空体的上下界面，获得比较理想的探测结果；雷达对空洞 水平尺寸的探测效果良好，但对空洞垂直大小的探测精度稍逊；实现了对圆台形 与方形两种规则体空洞的雷达剖面形状判别。 关键词：地质雷达：雷达原理；数字滤波：无损检测；公路隧道衬砌 a b s t r a c t t h eu s eo fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) h a sb e c o m ew i d e s p r e a di nh i g h w a y t u n n e li n s p e c t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a ye n g i n e e r i n g a sa ne f f i c i e n ta n d a d v a n c e dn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n m e t h o d ，g p rc a ns c a n t h et u n n e l l i n i n g s u c c e s s i v e l y , a n do b t a i no b j e c t i v ea n da c c u r a t ep l o t s h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o no fg p r h a sj u s tc o m m e n c e di nc h i n a ，a c c o m p a n i e dw i t hm a n yp r o b l e m s ，s u c ha st h e i n s p e c t i o np r e c i s i o no fg p r a n dt h ej u d g i n gp r i n c i p l e so ft h ep r o b i n gp l o t s ，w h i c h a f f e c t st h er e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t sp r o b e db yg p r t h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r a t i o no ft h eg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rt e c h n o l o g y d e p e n do nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y t h eg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rt e c h n o l o g yi s b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et h e o r ya n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et r a n s m i s s i o n t h e o r y s o ，k n o w i n gw e l lt h eb a s i ce l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e s o ft h er a d a rc o u l da f f o r 4at h e o r e t i c a lg u i d et ot h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a s e t t i n gt h er a d a rt e s tp a r a m e t e rr e a s o n a b l yi st om a k ep r e p a r a t i o n sf o rt h er a t i o n a l c o l l e c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea n a l y s i sa n dt h ep r o c e s so f t h e e x p e r i m e n t a l d a t a r e l y o nt h e d i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g y a n dt h ew a v e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d a ri m a g i n e s t h et h e s i sw i l li n t r o d u c et h ea b o v ec o n t e n t s b r i e f l y a tt h ep r e s e n t ，t h es e l e c t i o no ft h er a d a rw a v es p e e dw h i c hd e p e n d so nt h e r e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h el i n i n gi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h et e s ta c c u r a c yo ft h e l i n i n gt h i c k n e s si nt h ec o u r s eo ft h en o n - d e s t r u c t i v er a d a rt e s ta b o u tt h er o a dt u n n e l l i n i n g a ne x p e r i m e n ti sm a d ei nt h i sp a p e ri no r d e rt os i m u l a t ear o a dt u n n e ll i n i n g w i t hs o m es t e e lb a re m b e d d e di nt h ed i f f e r e n th e i g h to ft h es a m p l e t h es a m p l ei s l a y e r e db yt h ee m b e d d e db a ra c c o r d i n gt ot h et o t a lr e f l e c t i o nt h e o r yo ft h er a d a rw a v e f r o ms t e e lb a r s t h et e s ts t e e lb a r se m b e d d e da td i f f e r e n th e i g h ti nt h el i n i n gc a nb e l o c a t e dw i t ht h eu s eo ft h er a m a c g p rg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r a tt h es a m et i m e ， t h et h e s i sa l s od i s c u s s e st h ep r o b l e ma b o u tt h ei n f l u e n c eo fa na g eo ft h ec o n c r e t e0 n t h es p e e do fr a d a rw a v e a tl a s t ，aq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e r e l a t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dt h et h i c k n e s so ft h es a m p l ei sm a d e a f e rm a n y e x p e r i m e n t s ，s e v e r a lc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w s ：t h er a d a rw a v es p e e dw i l l b ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea g eo ft h ec o n c r e t e ；w i t h i nt h es a m ea g e ，t h er a d a r w a v es p e e dw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so ft h es a m p l e ；t h er e l a t i v e d i e l e c t r i cc o n s t a n tw i l la p p e a ri n c r e a s ea p p r o x i m a t e l yl i n e a r l ya st h et h i c k n e s so ft h e s a m p l eb e c o m el a r g e ；w h i c hg i v e st h ee x p l a n a t i o no ft h ed e c r e a s eo ft h er a d a rw a v ea s t h eh e i g h to ft h es a m p l ea tt h es a m ea g ei si n c r e a s e d a c c o r d i n g l y , t h et h e s i ss u g g e s t s t h a tt h er a d a rw a v es p e e ds h o u l db ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h et h i c k n e s so ft h el i n i n g t oi n c r e a s et h ed e g r e eo fa c c u r a c yo ft h el i n i n gt h i c k n e s su n d e rp r e s e n tr a d a rt e s t c o n d i t i o n s i th a sa l w a y sb e e nt h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mf o rr a d a rn o n - d e s t r u c t i v et e s tt o l o c a t et h es e p a r a t i o no ft h et u n n e ll i n i n ga n dt od e t e c tt h es i z ea n ds h a p eo ft h ec a v i t y t h et h e s i sa p p r o a c h e st h e s ep r o b l e m sb ys e t t i n gt h eu n e q u a ls e p a r a t i o no ft u n n e ll i n i n g a n d t w oo t h e rc a v i t i e s ，o n eo fw h i c hi sc y l i n d e ra n dt h eo t h e ri sc u b e t h r o u g hr a d a r d e t e c t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ep o t e n t i a la b i l i t yo fr a d a ru s e df o rt h es e p a r a t i o nd e t e c t i o ni n t u n n e l l i n i n g i s i n v e s t i g a t e d b e s i d e s ，b ye x p e r i m e n t a l a n a l y s i s ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e d ：t h eg p rw i t h8 0 0 m h zr a d a ra n t e n n ac a nd i s t i n g u i s h a c c u r a t e l yt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h el i n i n ga n ds h o t - c o n c r e t e ，b u tn o tf o rd e t e c t i o no f t h ep v cw a t e r p r o o fl a y e r ；t h eg p rw i t h8 0 0 m h zr a d a ra n t e n n ac a ng e t a ni d e a l d e t e c t i o na b o u tt h eb o u n d a r yb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rl i n i n gw h e nt h eh e i g h to ft h e l i n i n gs e p a r a t i o ni sl a r g e rt h a n5 c m ；t h et e s tr e s u l to ft h eh o r i z o n t a ls i z eo ft h ec a v i t y i sa l s ov e r yg o o d h o w e v e r ，f o rt h ev e r t i c a ls i z eo ft h ec a v i t yt h er e s u l ti sn o ts og o o d a st h eh o r i z o n t a ls i z e ；m e a n w h i l e ，t h es e c t i o ns h a p eo ft h ec y l i n d r i ca n dc u b i cc a v i t y c a nb ed i s t i n g u i s h e da c c o r d i n gt h ea b o v ei n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ；r a d a rt h e o r y ；d i g i t a tf i l t e r i n g ；n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ；h i g h w a yt u n n e ll i n i n g i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名2 剖月生亏 日期：。砗j 月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期。哆年t 月沙日 日期：矽年j 月玎日 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 随着交通事业的快速发展，公路隧道的数量逐年增加。由于受施工过程中诸 多因素的影响，隧道容易出现衬砌开裂、渗漏，衬砌混凝上厚度不足、强度不够， 衬砌脱空、回填不密实，钢筋网、隔棚拱错断变形等工程质量问题“1 ，这些工程质 量问题如果得不到及时处治，必然会影响隧道的正常运营和隧道衬砌的耐久性。 因此，及时准确地发现在建隧道质量问题，为及时有效地对隧道进行加固和修复 提供依据，是工程检测技术人员必须面临的一个课题。传统的隧道衬砌检测方法， 如开孔或开槽取样检测，不仅效率低、代表性差、偶然性大，而且破坏了衬砌的 整体性；地质雷达检测技术采用了先进的连续扫描无损探伤技术，探测精度比传 统检测方法高，而且是连续扫描，可获得隧道探测的连续结果，是一种快速、高 效、经济、简便的无损检测技术，对隧道环境适应性强，目前在隧道衬砌检测中 获得了广泛的应用。完善和拓展地质雷达在隧道衬砌无损检测中的应用是本文研 究的主要方向。 受景婺黄( 常) 高速公路建设项目办委托，课题组圆满完成了景婺黄( 常) 高速公路隧道施工质量抽检项目。课题组采用瑞典r a m a c g p r 型地质雷达，选用 5 0 0 m h z 屏蔽天线，对景婺黄( 常) 高速公路沿线共有1 7 座隧道进行了无损检测。 检测内容包括对各隧道的喷射混凝土厚度、钢拱架规格和分布、初期支护挂网钢 筋和二次衬砌钢筋分布、二次衬砌厚度以及隧道衬砌背后的脱空区等项目检测。 前几项检测取得了较好的检测结果，对脱空区脱空高度的探测难以把握，基于此， 为了进一步完善地质雷达在公路隧道质量检测中的应用，课题组在室内实验模拟 隧道中的衬砌结构和空洞缺陷，展开了地质雷达在公路隧道无损检测中的探测研 究。 1 2 公路隧道无损检测的重要陛 1 2 1 我国公路隧道建设现状 改革开放以来，我国国民经济有了飞速的发展。但是，由于我国交通状况落后， 制约了经济的进一步发展。为了改善这种状况，自上世纪9 0 年代初，随着我国在 公路交通基础设施建设上投资的与日俱增，各地的高速公路、高等级公路如雨后 春笋般涌现，公路隧道得到了极大发展。我国地域辽阔，多山岭重丘，山区公路 建设任务十分繁重。为缩短公路里程，改善线形及环境保护，昔日那种“逢山尽 量绕着走”的做法，正在被公路隧道代替。隧道既能保证最佳道路线形便利行车， 又可有效防止山地陡坡的滚石、泥石流等自然灾害，提高了行车的安全性和可靠 1 性，同时又能和当地环境相协调及保全自然景观”1 。据( 2 0 0 4 年公路水路交通行 业发展统计报告，截至2 0 0 4 年底，我国已建成的高速公路总里程超过3 4 0 0 0 k m ， 己建成的公路隧道总长达1 2 0 0 k m 以上，占高速公路总里程的3 5 ，2 0 0 5 2 0 0 6 年这一比重相应有所增加，可以预测隧道长度占路线总里程的比例会越来越高。 同时，隧道在我国的建设仍保持快速增长势头，我国已成为世界上隧道工程最多、 工程最复杂、发展最快的国家。在相当长的一段时问内，我国交通建设的重点仍 将是加快高速公路的修建和中西部高速公路的建设，按照我国高速公路网五纵七 横的规划，在未来的3 0 年中，我国将继续兴建约5 0 0 0 0 k m 的高速公路，以形成贯 穿南北和东西的干线网。按照隧道占高速公路总里程的6 估计，这将涉及到修建 大约3 0 0 0k m 长的隧道，可以说，在今后的若干年内，我国的公路隧道工程建设 将会继续保持蓬勃发展的良好势头。 1 2 2 隧道中常见的病害及其影响 在岩土介质中开挖的公路隧道，其主体是人工地下结构，处于天然介质环境 中，由于受经济、技术水平的制约以及施工队伍素质的影响，加之工程本身的隐 蔽工程性质，在这样的条件下修建隧道，一旦施工监管松懈，很可能产生众多工 程质量问题，如隧道衬砌厚度不足，衬砌模筑混凝土蜂窝或严重离析、空洞或脱 空，在施工过程中对超欠挖控制不力，造成大的超挖发生，而回填又不密实，导 致在衬砌建设期间及建成之后围岩崩落在衬砌之上，致使衬砌受力很不合理而过 早开裂以及由于人为的偷工减料，增加钢拱架或钢筋的间距以达到偷工减料的目 的等。以上诸多病害的产生使得隧道衬砌在经受温度变化，地下水静水压力，以 及脱空区掉块荷载时，容易产生诸如漏水、衬砌裂损、衬砌冻害、衬砌腐蚀等一 系列病害情况。文献 3 表明：隧道水害影响和威胁隧道稳定、行车安全、洞内设 施正常使用；衬砌裂损降低衬砌结构承载力，裂缝发展会引起水害；衬砌冻害会 导致衬砌冻胀开裂，造成衬砌结构失稳破坏；衬砌腐蚀会降低混凝土强度和衬砌 结构承载力。总之，隧道病害会严重影响隧道的正常运营及使用年限。 1 2 3 隧道无损检测的现实意义 隧道工程质量无损检测技术，已经形成了一门新的技术，它的检测手段和方 法将日益增加，用各种不同原理的仪器分别测定工程结构的各种物理数据，如电 性、磁性、电磁性、弹性、放射性等。通过这些物性参数的变化分析工程结构的 状态。无损检测除了具有不损坏工程结构的优点以外，在检测成果资料定量可靠 性、数据图像直观性和检测速度、安全与成本等方面已显示出更大的优越性，无 损检测已经成为隧道工程质量检测的最佳选择。作为隧道质量控制的重要一环， 隧道衬砌无损检测在隧道工程建设中所起的作用是相当巨大的。在隧道施工过程 中，由超欠挖、回填及混凝土振捣不实造成衬砌结构与围岩脱空、衬砌内存在松 散区以及空洞等，由于偷工减料，钢筋及钢拱架间距较设计明显增大，及时发现 和处理这类质量问题是保证隧道施工质量和确保隧道正常运营的关键。 2 1 3 隧道无损检测的主要方法 公路隧道衬砌病害检测中最关心的问题是衬砌厚度、裂损部位、衬砌背后空 洞空隙的分布、混凝土结构完整性、钢筋分布等问题，用以判断工程施工是否达 到设计要求，诊断和评价既有衬砌的工作状态与安全性能，分析病害产生的原因， 提出病害的整治方案。针对以上隧道衬砌的主要病害，以下几种无损检测方法均 可应用于隧道衬砌检测。 1 、声波反射法 声波法检测衬砌混凝土质量分为透射波法和反射波法。透射波法原理与c t 扫 描相似，它是根据超声脉冲穿过混凝土时，在缺陷区的声时、波形、波幅和频率 等参数所发生的变化来判断缺陷的，要求被测物体有一对相互平行的测试面。这 种方法的不足之处是其无法确定缺陷的准确位置，即它只能确定缺陷在平面上的 投影位置，对于深度信息则无法获得。声波反射法则是根据超声脉冲在缺陷处产 生的反射现象来判断缺陷，这种检测方法较适用于只能获得一个测试面的洞室或 用于隧道衬砌健康状态的检测。声波反射法主要用于检测衬砌混凝土内部缺陷、 衬砌厚度和衬砌混凝土与围岩结合情况，常用的检测方法有垂直反射法和等偏移 距反射法等。声波反射法主要采用波形对比分析和频谱分析两种基本方法，通过 波形及频谱特征来确定衬砌混凝土的健康状态，判定混凝土内部缺陷范围、衬砌 体和围岩结合情况及衬砌厚度。 2 、冲击回波法 为了检测只存在单一测试面的结构混凝土的厚度及其内部缺陷，国际上从上 世纪8 0 年代中期开始研究一种新的无损检测方法一冲击回波法。冲击回波法的原 理：短时的机械冲击( 用一个小钢球或小锤轻敲混凝土表面) 产生低频的应力波，应 力波传播到结构内部，被缺陷和构件底面反射回来，这些反射波被安装在冲击点 附近的传感器接收下来，并被送到一个内置高速数据采集及信号处理的便携式仪 器，将所记录的信号进行时域和频域分析即可得出混凝土的厚度或缺陷的深度。 冲击回波法己经成功地应用于检测6 0 c m 厚的理想隧道内壳厚度。用钢球产生的超 声波和音速范围内的机械应力脉冲检测结构，用传感器记录观察到的多次反射波， 并进行频率分析。根据频率分析结果，能够获得有关衬砌厚度的数据及特殊反射 体的重叠，特别适合于单面结构，如路面、机场跑道、底板、护坡、挡土墙、筏 型基础、隧道衬砌、大坝等结构的检测。但是，该方法具有很大的片面性，冲击 回波到达的检测深度依赖于要检测的材料结构、强度以及应力脉冲的频率，这些 会受到所选球尺寸的影响。另外，该方法还极大地依赖回波响应、频谱分析等应 力波理论，解释较为困难，而且对混凝土表面的光洁度、藕合剂层厚要求较高。 3 、超声一回弹综合法”。 超声一回弹综合法是超声法检测和回弹仪测量的综合，主要用于混凝土强度 检测。超声法检测混凝土强度( f ) 与超声波在混凝土中传播速度( v ) 之间有相关性。 混凝土强度越高，其声速越快。因为混凝土强度与弹性模量有相关性，弹性模量 高的混凝土强度高。 3 式中：v 是超声波波速，m s ； p 是密度，g c m3 ； e 是弹性模量，p a ； u 是泊松比。 弹性模量与声速具有定量关系，因此，混凝土强度和声速亦有相关性。这给 超声检测法提供了理论基础。回弹法测混凝土强度是基于强度与混凝土的表面硬 度有相关性，而表面硬度可由回弹锤的反弹高度即回弹值反映。因此，混凝土强 度与回弹值之间也有相关性。这样，为回弹仪测量提供了理论基础。超声一回弹 综合法，是对隧道衬砌超声声速和回弹值( r ) ，然后把强度值与声速和回弹值进行 二元回归，参考护超声一回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程推荐的公 式： f 爿y 。尺。 ( 1 2 ) 式中：f 是混凝土强度； a 、b 、c 是待定的回归方程系数。 若再考虑碳化层的厚度l ，则可建立三元回归方程： f 。a v 8 r 。p( 1 3 ) 式中：f 是混凝土强度； l 是混凝土碳化层的厚度，衄； d 是待定的回归方程的系数。 回弹仪所测回弹值反映衬砌混凝土的表面强度，超声波声速则可以反映衬砌 的内部强度信息，超声回弹两种方法相互补充，比较全面地反映了衬砌的真实质 量。超声一回弹综合法与单一的回弹法或超声波法检测强度相比，是一次重大的 进步，因而在隧道衬砌的强度检测中得到了广泛的使用”】。 4 、高密度电阻率法”1 电磁波在介质中传播时，其能量逐渐衰减，接收到的反射信息既与介质的电 性有关，也取决于介质的厚度，当雷达的正下方介质吸收电磁波能量致使吸收损 失较大，雷达接收到的目标体有效信息不足以区分背景噪声时，则难以确定衬砌 背后的状况，此时可以采用高密度电阻率法。高密度电阻率法是陆域或水域以小 偏移距激发和接收，对其下部地层或下部目标物进行连续扫描的一种等偏移距地 震波法。它实际上是一种阵列勘探方法，以研究地下介质体的电阻率差异作为其 物理基础，根据电场作用下地层中传导电流的分布规律，推断地下不同电阻率地 质体的存在情况。我国地矿部门在8 0 年代后期对该方法进行了系统的研究，并就 该方法的理论和技术问题进行了一系列探讨。相对于常规直流电法而言，该方法 电极布置密集，保证了该方法的探测精度，并且大大提高了工作效率。高密度电 阻率法己被广泛应用于工程建设之中，在隧道工程地质勘测中的应用尤为广泛。 5 、多频电磁法 4 多频电磁法( g e m ) 是近1 0 年来才发展起来的一种专门探测浅层目标物的方法。 它通过发射线圈向地下发射多种频率的电磁波。电磁波进入介质中要产生传导、 极化、磁化现象，而这些现象反过来又改变原电磁场的状态，这就是电磁波和介 质的相互作用。把这种作用的结果反映到地面观测点是电磁法解决地质问题的物 理前提。电磁法的多频概念源于“趋肤深度”原理，以探测深度与频率成反比， 低频信号在介质中传播很远，可研究结构深部构造，高频信号只能传播短距离， 探测浅部构造。扫描一个频率窗口相当于一个探测深度，发射多个频率做多个深 度探测。 多频电磁法作不同频率即不同深度的探测称为“频率测深”，提供结构的垂向 断面图：也可作相同频率即相同深度的探测，称为“频率平剖面”，提供结构的水 平剖面图。 6 、地质雷达法 地质雷达是一种广泛应用于探测地下目标体的地球物理探测方法，应用领域 涉及到地质勘察、基础工程质量检测、灾害地质调查与考古调查、结构工程无损 检测等。由于地质雷达检测技术采用了先进的连续扫描无损探伤技术，探测精度 比传统检测方法高，而且是连续扫描，可获得隧道探测的连续结果，能全面地对 隧道衬砌的实际情况进行检测，是一种快速、高效、经济、简便的无损检测高新 技术，现已被广泛地应用到衬砌病害无损检测中，但实际应用中很多问题亟待解 决，这是本文研究的重点。 1 4 隧道衬砌地质雷达无损检测的研究现状 1 4 1 国外研究现状 地质雷达检测隧道病害领域，国外的研究结合了实验室模拟和工程实践，并 不断改进软硬件技术，取得了一定的成果”1 。如文献 1 0 提到，白1 9 8 5 年以来， 雷达检测技术在澳大利亚的地球物理勘探和无损检测方面的应用越来越广泛，在 许多隧道工程检测中取得了较好的效果。在2 0 0 0 年，美国的一个研究小组曾做过 隧道病害雷达法探测的实验研究1 ，在实验室模拟了二次衬砌结构的多种病害， 实验包括了9 个试验模型：2 0 0 m m 、3 0 0m i l l 厚密实混凝土块；3 0 0m m 厚混凝 土表面下0 1 m 、0 2 m 深度处各布置了一个直径为0 0 1 9 m 的圆柱形孔洞；严重 腐蚀的钢筋埋设在混凝土中；在钢筋混凝土中埋设空洞；用沙模拟混凝土中 严重析水的部位：在沙中埋设钢筋和空洞；在沙中埋设锈蚀的钢筋；用碎 石模拟混凝土中严重析水的部位；在碎石中埋设空洞，使用中心频率为1 4 0 0 m h z 的天线进行了测试分析，该实验主要是基于对衬砌结构病害的定性探测。文献 1 2 提到，日本的东京大学在实验室作了关于钢筋网定位和空洞形状探测的试验研究， 在沙中埋设一个尺寸为4 0x4 0x1 0c f f l 3 的空洞，在沙的上方加一块2 0 c m 厚的钢 筋混凝土板，然后使用雷达法沿钢筋混凝土板表面对其进行扫描。这一研究主要 是基于雷达无损检测技术应用能力的探索。b u n g e y ，j h “”等人使用一种具有和混 5 凝土相似的电磁性质和导电性能的油水乳胶体来代替混凝土，通过试验研究了在 乳胶体内不同直径、不同埋深的钢筋所测得的雷达波形图像。对钢筋的保护层、 钢筋间距、埋深及钢筋对其下的钢筋和空洞的影响做了深入细致的研究并得出了 具有指导意义的结论；但对钢筋直径的确定却没有具体的办法。m i c h a e ls c o t t 1 等人使用g p r 技术探测了一系列不同大小的水平裂缝、同一埋深下不同直径的塑 料管、同一埋深下三根不同直径的钢筋、同一直径不同埋深的钢筋的对比试件。 结果表明不同的直径塑料管或钢筋的雷达波形图像差别都很小，反射波幅和几何 形状都非常相似，文中接着指出这么微小的差别很难被分辨出来。 在试验模拟的同时，雷达检测技术在许多实际工程中得到了应用。如文献 1 5 提到，结合使用地质雷达、地震波折射、地震波成像技术对意大利中部的一个隧 道进行了探测，探出隧道周围松散的区域和一些大块的杂质以及一些空洞，查明 了导致隧道不稳定的主要因素是岩石的碎裂和混凝土的废退而导致土体的坍塌； 文献 1 6 提到，在瑞士一个2 k m 长古老的引水隧道中，有7 0 0m 长的一段严重渗 漏，为了查明衬砌背后o 4 m 范围内的病害，使用地质雷达对其进行检测，查明 了空洞、渗水部位，通过钻孔证实了检测结果；文献 1 7 介绍了地质雷达在桥梁 裂缝检测中应用，取得了良好的效果。 在实验研究和工程实践的基础上，针对一些具体的检测环境，在国外还改进 了雷达天线和发射器装置，在改进硬件方面的同时，在软件方面通过开发相应的 数据处理软件包来加强对特定环境下雷达测试信号的分析，从而使问题得到解决。 如文献 1 8 提到，考虑到潮湿环境对雷达信号采集、操作的方便性和操作人员在 潮湿隧道中工作的安全等诸多方面的影响，设计了专门的雷达仪用于探测潮湿环 境下的隧道，同时在数据处理方面对雷达信号进行了时间控制补偿。 在理论方面，国外的研究起步较早，已取得实质性的成果，研究趋于成熟。 1 4 2 国内研究现状 在隧道病害雷达检测领域，国内的研究主要注重于实际工程应用的探索，通 过大量的工程实践取得了长足的进展。国内西南交通大学于2 0 0 0 年展开了铁路隧 道衬砌质量雷达法探测的应用研究：通过使用地质雷达对1 0 座新建铁路隧道的现 场检测及数据分析处理，结果证实了使用雷达法可以用来探测衬砌的厚度以及衬 砌背后的缺陷；同时，提出了地质雷达法在隧道施工质量检测方面的应用还处于 初期阶段，在经验、理论和雷达图像判识方面还存在着诸多不足，有待于进一步 的探讨和研究。现阶段，在隧道病害探测实践中，通过大量的工程应用研究，解 决了雷达测试技术在隧道衬砌质量检测中的有关参数选择、合理测线布置等问题， 可以对一些典型的病害类型进行评定。 在工程检测实例方面，戴前伟“”等对地质雷达应用条件进行了初步的探讨， 得出了影响地质雷达探测深度、分辨率以及精度的因素主要有环境的导电率、介 电常数以及探测频率、采样速度等；李大洪”叫对地质雷达的工作频率进行了比较 深入的讨论，认为地质雷达的天线频率和探测精度是相互矛盾的，开展检测工作 时必须综合考虑；王水强”论述了不同地质雷达测量参数对数据采集效果的影响； 6 杨健等“2 1 通过对若干座公路隧道衬砌混凝土检测的地质雷达法和其他方法的对 比，认为地质雷达衬砌质量检测的准确性有待提高；周黎明、王法刚”“研究了地 质雷达检测隧道衬砌混凝土质量的应用效果，主要分析了地质雷达检测衬砌混凝 土的密实性、脱空和厚度等，认为地质雷达能较好的给出除强度以外的检测结果， 同时，与实际相比，结果具有一定的偏差，例如脱空区的高度等只能给出一个大 概值；贾华强。 主要研究了地质雷达探测铁路隧道衬砌的厚度，通过大量的工程 实际，论证了地质雷达检测混凝土厚度时可靠的；叶良应。”等对地铁隧道的脱空 进行了研究，并通过对室内模型试验的二维切片及三维透视图像进行分析，查明 了空洞的位置，但是对空洞的具体形状无法进行定量分析；李志顺”对铁路隧道 检测的测线布置、天线选择、资料处理及判释依据进行了一系列论述；冯慧民” 研究了地质雷达在隧道衬砌检测中应用，得出了拱顶部位是隧道衬砌施工的薄弱 环节，应予特别注意；王红霞“”论述了地质雷达探测铁路路基病害的原理、规律 及特点。 工程实例还表明，渗漏水是导致隧道病害的一个重要原因”“”1 。目前，在 渗漏整治中存在的主要问题是对于衬砌内部渗漏水状况的认识不够全面，包括了 渗水部位、渗水方式、渗水量的大小等，因此，导致了治理工程经济上的浪费， 以及治理效果的欠佳。如何对其进行全面而准确的探测是隧道渗漏水治理的关键。 检测现状表明，对地下水病害，主要是依据水介质的雷达反射波特征以及实际经 验而作出判释，叶良应”通过精心设计实验，实物模拟工后各种渗漏水病害，从 而为隧道渗漏水的成因分析及治理提供更可靠、更详细的依据。在地质雷达的隧 道检测中，混凝土的相对介电常数，是个非常重要的参数，国外对相对介电常数g ， 的进行了大量研究。2 ”“”1 。黄玉华等。”通过分析混凝土相对介电常数与混凝土 龄期、含水量、水灰比、砂率以及骨料的关系，发现可以通过对混凝土相对介电 常数的测定来大致判定混凝土的强度；基于同样的思路，周道传。”通过回归分析， 得到混凝土相对介电常数的单因素计算公式及多因素综合计算公式。公式计算值 和实测值吻合较好，计算公式很好地反映了混凝土试件实测值的变化规律，同时 多因素综合计算公式在实际检测中得到验证。 在地质雷达无损检测理论研究方面，国内相对落后，主要集中在对雷达数字 信号的处理研究和对地质雷达的数值模型模拟两个方向上。赵宪堂等”分析了地 面波对地质雷达信号的干扰和如何处理；肖兵等“”结合信号处理学进行了地质雷 达信号谱分析；孙洪星“研究了介质中雷达波的耗散衰减规律：史付生等“”应用 波动学的相干叠加原理来分析地质雷达隧道数据，推导出了衬砌背后孔洞大小的 计算公式；许建文“”将小波分析应用于图象增强，对像素进行处理，能够动态地 体现衬砌的异常特征。张英德等“”提出了利用h i l b e r t 变换提取瞬时振幅、相位 和频率的复信号分析方法，论述了该方法对提高地质雷达图像解释的准确性有重 要意义；李楠“”论述了小波变换在地质雷达信号分析中的作用，认为小波变换可 用于信号检测和参数估计以及目标识别等；周辉等“”提出用全局最优化偏移速度 分析方法求取介电常数分布和用麦克斯韦方程组逆时偏移获得偏移叠加剖面的方 法；周青“7 1 研究铁路各种路基信息的雷达图像特征，并编制了实用铁路路基地质 雷达处理程序，在努力提高软件的专业性方面进行了有意义的尝试。冯德山“从 7 地质雷达的正演原理着手，用c 语言及v c + + 基于时域有限差分法的地质雷达正演 软件，实现了对几个简单地电模型的正演。 1 5 地质雷达在隧道衬砌无损检测中存在的主要问题 能否准确、高效地对已有隧道及在建隧道衬砌进行健康状态检测，是判断一 种检测方法好坏的标准。由于地质雷达具备无损、连续地对被测目标实施扫描， 操作简便，结果显示直观，后处理软件功能强大，探测精度高，测试速度快，探 测测点密度不受限制，能自由地点测和普查，在较短时间内完成相当巨大的隧道 衬砌健康状态检测任务等优点，在公路隧道衬砌健康状态检测中，地质雷达获得 了越来越广泛的应用。 但是，任何一种检测方法都不是完美的，地质雷达法也不例外。归纳起来， 在地质雷达隧道衬砌健康状态检测中，主要存在以下不足： 1 、隧道衬砌中电磁波传播速度问题 在地质雷达的时间一深度剖面图上，电磁波双程走时在雷达记录中能准确读 出，深度值完全依赖于速度值的选择。在目前隧道衬砌厚度检测实践中，电磁波 波速一般根据经验人为设定或者现场取点进行速度标定。人为设定电磁波波速与 电磁波在隧道衬砌中的实际传播速度不可避免存在一定误差：现场取点进行电磁 波速度标定存在以偏代全的问题。电磁波速度值的准确程度直接影响衬砌厚度的 检测精度。 2 、隧道衬砌脱空区的探测问题 隧道衬砌背后的脱空区的检测是雷达检测的重点。雷达对隧道衬砌脱空缺陷 的雷达尺寸探测尚显不足，尤其是空洞形状很难把握。目前工程检测中，对脱空 高度，一般都只给出一个概值，作为参考。 3 、表层钢筋多次反射的影响 由于地质雷达使用的是高频电磁波，而高频电磁波具有准光学特性，即当它 遇到金属时，发生全反射，部分能量被接收天线所接收，部分又被反射到钢筋处， 从而形成了电磁波在天线和钢筋之间的多次反射，在时间深度剖面图上，这严重 影响了对钢筋背后结构物的判释，而按照目前现有的滤波方法，这种影响无法消 除。 4 、钢筋直径的雷达探测 钢筋直径的检测是地质雷达隧道检测中遇到的一个难点，国内外对这个问题 尚未解决；目前国内的雷达隧道质量检查没有把钢筋直径检测列入抽检范围。 1 6 本文的主要工作与研究内容 我国于2 0 世纪9 0 年代开始了地质雷达的应用研究。地质雷达以其高分辨率 和高工作效率正逐渐成为隧道和地下隐蔽工程检测的有力工具。由于研究起步较 晚，积累的资料和经验有限，地质雷达法在我国隧道施工质量检测方面的应用还 8 处于初期阶段，在经验、理论和雷达图像判识方面还存在着诸多不足，有待于进 一步的探讨和研究。 目前公路隧道衬砌无损检测中，一般包括衬砌厚度、钢拱架规格和分布、初 期支护挂网钢筋和二次衬砌钢筋分布以及隧道衬砌背后的脱空区等项目检测。本 文的研究是建立在实验基础之上的，采用实验比较的研究方法，进一步探索了地 质雷达在公路隧道无损检测中的应用潜力，使地质雷达能更好地应用于隧道衬砌 检测。本文的主要研究内容有： 1 、认识电磁波的基本理论和地质雷达的工作原理，为实验数据分析提供理论 指导；同时简单介绍了地质雷达检测参数设置原则，为有效正确操作雷达提供指 南；概述了数字滤波技术和雷达图像的解释，为分