地质雷达技术在某铁路隧道质量检测中的应用

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1、260福建地质GeologyofFujian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

2、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(GroundPenetratingRadar，简称GPR)天线发射频率为12．5～2500MHz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[1]。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

3、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[2]。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：f

4、05—=√er

5、Il：丝2×√￡r式中：^一介质分界面深度(m)；￡一电磁波传播双程时间(ns)；f一电磁波在空气中收稿日期：2010—03—09作者简介：石利锋(1975一)，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(o．3m／ns)；扩电磁波在材料中的传播速度(m／ns)；er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

6、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Table1TherelativedielectricconstantsandthevelocityofelectromagneticwavesofcommondielectricsinthetunneIdetection介质相对介电常数电磁波速率(m／ps)空气1300混凝土5～855～120淡水8133花岗岩5～8

7、106～1202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TERRASIRCHSIR3000地质雷达系统(简称SIR3000)。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400MHz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(70cm以内)，使用900MHz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

8、拱顶衬砌设计厚度为40cm，围岩为IV级。采用美国SIR3000型雷达仪器，天线频率为900MHz，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0．1m／ns。雷达反映界面清晰(见反射亮线)，最小实测厚度为50cm，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45cm，围岩为IV级。采用美国SIR3000型雷达仪器，天线频率为400MHz，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0．1m／ns。图中指示处为拱顶顶面

9、下约30cm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福建地质Ge