２６０ 福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ 第３期 地质雷达技术在某铁路隧道质量检测中的应用 石利锋 （福建省建设工程物探试验检测中心，福州，３５００１１） 摘要地质雷达作为一种数据质量好、抗干扰性强和准确高效的先进技术在铁路隧道质 量检测中得到了广泛的应用。以福建省某铁路隧道工程质量检测实例，介绍地质雷达的探测原 理，阐述地质雷达技术在隧道衬砌、仰拱等部件质量检测中的应用。 关键词 地质雷达 铁路隧道 质量检测 地质雷达铁路隧道检测技术是在铁路隧道的局部建设过程中或建成后，利用先进的地质 雷达对隧道部件进行无损检测，通过科学的检测评价，用定性和定量指标来评价铁路隧道的 工程质量，发现铁路隧道病害，为采取措施消除铁路隧道安全隐患提供依据。 １地质雷达方法原理 地质雷达（Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ）天线发射频率为１２．５～２ ５００ ＭＨｚ 的脉冲电磁波信号，当电磁波信号遇到不同的媒质界面时产生反射和为透射，天线接收反射 回电磁波信号，根据反射信号到达时间、振幅强度等参数推断出目标物体的位置、结构、形 态等。在实践应用中，地质雷达法适用于检测衬砌厚度、衬砌背后的回填密实度和衬砌内部 钢架、钢筋分布等 ］。 由电磁波的理论得知，电磁波在介质中传播，当电磁波从一种介质进入另一种介质的时 候，由于两种介质介电常数不同，波阻抗也不同，在两种介质分界面上会产生反射电磁波， 根据电磁波可以分析波阻抗差异和发生变化的位置。电磁波的传播取决于物体的电性，物体 的电性主要有电导率和介电常数，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，后者决定电磁 波在该物体中的传播速度。不同的地质体（物体）具有不同的电性，在不同电性的地质体的 分界面上，都会产生回波 ］。 在隧道质量检测中使用的地质雷达天线主频一般相对较高，遇到的介质多为无磁性且以 位移电流为主的介质。因此，在计算电磁波在地下介质中的传播速度时只需考虑介电常数的 这个因素，电磁波传播速度和介质分界面深度计算公式为： 一 ｈ— 一 ： 式中： ～介质分界面深度（ｍ）； 一电磁波传播双程时问（ｎｓ）；ｃ一电磁波在空气中 收稿日期：２０１０—０３—０９ 作者筒介：石利锋（１９７５），男，物探工程师，从事建设工程的物探检测工作。 第 ３ 期 石利锋：地质雷达技术在某铁路隧道质量检测中的应用 ２６１ 的传播速度（０．３ ｍ／ｎｓ）； 一电磁波在材料中的传播速度（ｍ／ｎｓ）；￡ｒ一介质的相对介电常 数。 注：该公式应用于地质雷达电磁波通过单一介质时的深度计算，当雷达电磁波通过多重 介质时应分层计算深度再加权得到目标介质的深度。 铁路隧道检测中常见介质的相对介电常数和电磁波速取值（表１）＿＿３］。地质雷达的穿透 深度和分辨率主要取决于电磁波的频率和地下介质的电性。频率越低，穿透深度越大；导电 率越低，穿透深度则越大，反之亦然。频率越高，探地雷达的分辨率也越高。 表１ 隧道检测中常见介质的相对介电常数和电磁波速度 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅｓ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ 介 质 相对介电常数 电磁波速率（ｍ／ｔ￣ｓ） 空气 ｌ ３０Ｏ 混凝土 ５～８ ５５～１２０ 淡水 ８１ ３３ 花岗岩 ５～８ １０６～１２０ ２检测项目及仪器设备 检测项目：隧道衬砌、隧底的凝混土厚度和密实度及衬砌、隧底内的钢格栅、钢筋等材 料的分布情况。 仪器设备：使用美国ＧＳＳＩ公司生产的ＴＥＲＲＡＳＩＲＣＨ ＳＩＲ ３０００地质雷达系统（简称 ＳＩＲ ３０００）。 该仪器采用先进的控制器及数字处理软件，具有体积小、重量轻、功耗低、频带宽、数 据质量好、抗干扰性强等特点，其４００ ＭＨｚ频率的天线探测的深度为２．６ｍ左右，当隧道 衬砌厚道较薄时（７０ ｃｍ以内），使用９００ ＭＨｚ频率的天线也可以满足隧道质量检测的需 要。 ３工程检测实例 实例１：某铁路Ａ隧道衬砌拱顶检测的实测雷达图像，该段隧道拱顶衬砌设计厚度为 ４０ ＣｌＴＩ，围岩为ＩＶ级。采用美国ＳＩＲ ３０００型雷达仪器，天线频率为９００ ＭＨｚ，采样点数为 ５１２，采用连续采样的方式，波速的确定为打孔标定，波速标定为０．１ Ｈ１／Ｈ８。雷达反映界面 清晰（见反射亮线），最小实测厚度为５０ ｃｍ，检测区间均满足衬砌厚道设计要求（图１）。 实例２：某铁路Ｂ隧道衬砌拱顶检测的实测雷达图像，该段隧道衬砌拱顶衬砌设计厚度 为４５ ｃｍ，围岩为ＩＶ级。采用美国ＳＩＲ ３０００型雷达仪器，天线频率为４００ ＭＨｚ，采样点数 为５１２，采用连续采样的方式，波速的确定为打孔标定，波速标定为０．１ ｍ／ｎｓ。图中指示处 为拱顶顶面下约３０ ｃｍ处出现的二衬混凝土脱空的雷达反射信号，未能达到设计要求，有可 能是施工过程中防水处理不当、防水板破漏等原因造成的混凝土脱空现象（图２）。 ２６２ ｌｌ一一一一ＩＩ一一一Ｉｌ一一ｌｌ一 Ⅲ 福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ 第２９卷 图１ 某铁路Ａ隧道衬砌拱顶检测的实测 图２某铁路Ｂ隧道衬砌拱顶检测的实测雷 雷达图像 达图像 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｖａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ａ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ａ ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｖａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｂ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ａ ｒａｉｌｗａｙ 实例３：某铁路Ｃ隧道衬砌拱顶检测的实测雷达图像，该段隧道拱顶衬砌设计厚度为 ４５ ｃｍ，围岩为ＩＶ级。采用美国ＳＩＲ ３０００型雷达仪器，天线频率为４００ Ｍｈｚ，采样点数为 ５１２，采用连续采样的方式。图像指示处反映了混凝土不密实产生了杂乱反射波的情况，未 能达到设计所要求的密实度，其原因可能是由于振捣不够，漏浆或混凝土离析等原因造成混 凝土的蜂窝状、松散状（图３）。 实例４：某铁路Ｄ隧道衬砌左拱腰检测的实测雷达图像，钢筋设计间距为４根／ｍ，围岩 为ＩＶ级。采用美国ＳＩＲ ３０００型雷达仪器，天线频率为９００ ＭＨｚ，采样点数为５１２，采用连 续采样的方式。该图像可以看出混凝土中存在的钢筋造成强烈的月牙形信号反射，５１３３８５￣ ５１３３９０的里程中，可以准确的数出钢筋的个数为２０根，满足设计要求（图４）。 一 一 ０．ｏ－－ 图３是某铁路Ｃ隧道衬砌拱顶检测的实 图４某铁路Ｄ隧道衬砌左拱腰检测的实测 测雷达图像 雷达图像 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｖａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｈａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｄ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ａ ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ａ ｒａｉｌｗａｙ 实例５：某铁路Ｅ隧道隧底检测的实测雷达图像，该段隧道隧底设计厚度为１８５ ｃｍ，围 岩为ＩＶ级。采用美国ＳＩＲ３０００型雷达仪器，天线频率为４００ ＭＨｚ，采样点数为５１２，采用 连续采样的方式。图像指示处反映了混凝土不密实产生了反射波界面的情况，不能达到设计 所要求的密实度，经验证该界面是由于施工时防水处理不当导致的混凝土出现蜂窝状、松散 第３期 石利锋：地质雷达技术在某铁路隧道质量检测中的应用 ２６３ 状的离析界面。 ４ 结语 （１）地质雷达对铁路隧道进行无损检测 是一种对隧道施工质量进行监测的有效手段＇１＿ 使用地质雷达检测隧道，技术人员应该对隧实际情况进行分析，以避免检测错误。 ： 。： 道施工工艺有充分的了解，同时应结合施工 ‘ （２）在必要的情况下，可以利用现场条 件或制作混凝土标准部件和打孔验证等手段 进行介电常数、增益等检测参数的调整和校 核，提高检测的精度、速度和准确性。 （３）在隧道设计参数不同的情况下，选 用合适的时窗及采样点数，能提高检测时的 垂直分辨率，实测时天线紧贴隧道衬砌混凝 土表面，避免因为天线密贴不良造成的波形紊乱， 增加后期数据解释时的误判。 图５ 某铁路Ｅ隧道隧底检测的实测雷达图像 Ｆｉｇ． ５ Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｅ ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｔｔｏｍ ｉｎ ａ ｒａｉｌｗａｙ 参 考 文 献 国铁路工程总公司．铁路隧道衬砌质量无损检测规程．北京：中国铁道出版社．２００４（３） 薄会申．地质雷达技术实用手册．北京：地质出版社．２００６． Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎｃ．ＴｅｒｒａＳＩＲｅｈ ＳＩＲ Ｓｙｓｔｅｍ－－３０００ Ｕｓｅｒ＇ｓ Ｍａｎｕａ１．２００６（９） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｒａｄａｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｎ ｔｈｅ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｈｉ Ｌｉｆｅｎｇ （Ｆ ｉａｎ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ ｏ７’Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ，Ｆｕｚｈｏｕ，３５００１１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ，ｉｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｂｅｔｔｅｒ ｄａｔａ ｑｕａｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ ｎｏｎｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｇｒｅａｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅ１．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｆｏｒ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｏｆ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ，ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ，ｑｕａｌｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
