吳青++龔智敏++張延林

摘 要：重載鐵路隧道仰拱具有施工深度大、填筑層混凝土材料用量大且強(qiáng)度低、排水設(shè)施密集等特點(diǎn)。探地雷達(dá)檢測難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他鐵路隧道。如何保證在重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中的準(zhǔn)確性及可靠性一直困擾著鐵路檢測工作者們。本文以重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測為例，結(jié)合工程實(shí)踐，介紹了雷達(dá)法檢測重載鐵路隧道仰拱的方法、后期數(shù)據(jù)的分析與解釋以及檢測中常見干擾的解讀。

關(guān)鍵詞：重載鐵路 隧道仰拱 探地雷達(dá) 質(zhì)量檢測

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0021-04

重載鐵路始于20世紀(jì)20年代，至今已經(jīng)在世界上很多國家廣泛采用，特別是對于幅員遼闊的大陸國家，具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。所謂重載鐵路，是指年運(yùn)量為2000萬t的鐵路、單元或組合列車達(dá)到或超過5000 t、車輛中車軸軸重為25 t，具備以上條件之二者，可視為重載。

隨著國家重載鐵路隧道數(shù)量的逐年增加，其在運(yùn)營過程中暴露出來的病害也在接連發(fā)生。這就迫切需要一種高效、快速、全面的檢測方法來解決隧道病害這一難題，使隧道病害能夠提前得到治理。探地雷達(dá)檢測方法不僅克服了傳統(tǒng)方法只靠目測和打孔抽查對隧道質(zhì)量檢測的以點(diǎn)蓋面的不全面的缺點(diǎn)，而且是一種采用高科技手段，以其快速、高效、無損、高分辨率和高準(zhǔn)確率的優(yōu)點(diǎn)，在重載鐵路隧道質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

受諸多因素影響，重載鐵路隧道仰拱混凝土質(zhì)量可能出現(xiàn)厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求或脫空、不密實(shí)等質(zhì)量問題。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，需對鐵路隧道的仰拱質(zhì)量進(jìn)行快速且分辨率高的檢測，為隧道工程的科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 仰拱質(zhì)量檢測方法

由于重載鐵路隧道仰拱具有施工深度大、填筑層混凝土材料用量大且強(qiáng)度低、排水設(shè)施密集等特點(diǎn)。檢測時(shí)測線布置、波速標(biāo)定及天線頻率的選擇與其他鐵路隧道檢測存在一定差異。

1.1 測線布置[1]

仰拱檢測，測線布置以縱向布置為主，橫向布置為輔，檢測中發(fā)現(xiàn)不合格地段應(yīng)加密測線。測線布置應(yīng)盡量避開干擾物體，且不影響標(biāo)記的識(shí)別?？v向測線一般布置于仰拱行車中心線附近，需要分段測量時(shí)，相鄰測量段接頭重復(fù)長度不應(yīng)小于1 m；橫向測線間距一般為8～12 m。

1.2 波速標(biāo)定

檢測前應(yīng)對仰拱混凝土的波速進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，每隧道不應(yīng)少于1處，每處實(shí)測3次，以平均值作為該處電磁波速。當(dāng)隧道仰拱材料或含水量發(fā)生較大變化、或長度大于3 km時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量。波速標(biāo)定方法主要有兩種：（1）在已知厚度的部位或材料與隧道仰拱相同的預(yù)制件上進(jìn)行，且厚度不小于15 cm；（2）鉆孔實(shí)測。標(biāo)定波速按公式（1）計(jì)算。

（1）

式中：為電磁波在傳播介質(zhì)中的傳播速度（m/s）；為標(biāo)定體厚度（m）；為電磁波在介質(zhì)中的雙程走時(shí)（ns）。

1.3 天線頻率選擇[2]

雷達(dá)天線頻率的選擇應(yīng)綜合考慮不同頻率的電磁波在介質(zhì)中的探測深度、分辨率和目標(biāo)體的幾何特性等因素。天線中心頻率的選擇應(yīng)滿足式（2）要求。

（2）

式中：為天線中心頻率（MHz）；為目標(biāo)體預(yù)計(jì)埋藏深度（m）；為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s），實(shí)際檢測中，以標(biāo)定波速為準(zhǔn)。

以某重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測為例，圖1、圖2分別為500 MHz天線和250 MHz天線在同一部位的仰拱檢測圖像，兩圖分層界面均清晰可見，層厚約1 m左右。但相對250 MHz天線檢測圖像，500 MHz天線檢測圖像分層界面下鋼筋則更加明顯。

當(dāng)層厚超過1.5 m時(shí)，500 MHz天線不能滿足檢測深度要求，此時(shí)選擇250 MHz天線進(jìn)行檢測。見圖3、圖4。250 MHz天線檢測圖像分層界面清晰，500 MHz天線檢測圖像則無法看清分層界面。

由此可知，天線頻率的選擇直接影響檢測結(jié)果的可靠性。當(dāng)目標(biāo)體深度小時(shí)，500 MHz天線用于檢測仰拱厚度及仰拱中鋼筋數(shù)量及間距，250 MHz天線可用于檢測仰拱厚度，但不能確定鋼筋數(shù)量。當(dāng)目標(biāo)體深度較大時(shí)，500 MHz天線無法檢測仰拱厚度及鋼筋數(shù)量，250 MHz天線可用于檢測仰拱厚度，但無法檢測仰拱中鋼筋數(shù)量及間距。

2 數(shù)據(jù)的分析及解釋

探地雷達(dá)記錄了電磁脈沖由發(fā)射到被接收的時(shí)間及達(dá)到接收天線的能量，并將上述信息以波形或灰度的形式顯示在雷達(dá)圖像上，從而間接地對地下結(jié)構(gòu)物和埋藏物進(jìn)行成像，使其“可見”。復(fù)雜地段，雷達(dá)圖像具有一定的多解性，細(xì)致分析方能對雷達(dá)圖像準(zhǔn)確解釋。

2.1 常規(guī)波譜的判讀與解釋

（1）鋼筋。

金屬的介電常數(shù)很小，雷達(dá)波對其比較敏感。鋼筋在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為有規(guī)律的連續(xù)的小月牙形強(qiáng)反射信號，月牙波幅較窄或連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射，如圖5、圖6所示。

（2）不密實(shí)。

當(dāng)電磁波遇到不密實(shí)區(qū)域時(shí)，會(huì)在混凝土和空氣中發(fā)生多次反射，雷達(dá)圖像上，不密實(shí)表現(xiàn)為信號同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布，如圖7、圖8所示。

（3）脫空。

當(dāng)回填混凝土質(zhì)量較差或混凝土收縮變形速度不一致時(shí)，均可能造成脫空。脫空處電磁波反射信號較強(qiáng)，一般呈條帶狀分布。如圖9所示。

（4）夾層。

回填混凝土分層澆筑時(shí)，如果出現(xiàn)層間清渣不徹底，在交界面處，由于介質(zhì)電性發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)一反射層。仰拱回填時(shí)要求一次澆注，二次澆筑造成的夾層極易造成對仰拱厚度的誤判。如圖10所示。

（5）空洞。

由于混凝土、圍巖與空氣的電性差異較大，電磁波在介質(zhì)-空氣、空氣-介質(zhì)間傳播時(shí)，上下兩個(gè)界面會(huì)產(chǎn)生多次反射，在雷達(dá)剖面圖上呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征。如圖11所示。

2.2 常見干擾信號的判讀與解釋

識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。探地雷達(dá)在接收有效信號的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號，產(chǎn)生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。重載鐵路仰拱檢測中，常見干擾物有臺(tái)車干擾、邊墻干擾、排水管干擾等[3]。

（1）臺(tái)車干擾。

對施工過程中的仰拱質(zhì)量進(jìn)行檢測時(shí)，常遇到模板臺(tái)車的干擾信號。如圖12所示。對于臺(tái)車干擾信號，要求檢測人員現(xiàn)場檢測時(shí)詳細(xì)記錄現(xiàn)場情況，以防誤判。

（2）邊墻干擾。

由于雷達(dá)波以球面波的形式向空間傳播，少部分電磁波遇到邊墻等障礙物時(shí)，發(fā)生反射，引起邊墻干擾信號。圖13中，測線距離邊墻約4.5 m，空氣中電磁波速約 0.3 m/ns，按式t=2 d/v計(jì)算得，其雙程走時(shí)應(yīng)為30 ns左右，與圖中信號時(shí)間深度相符。

為了驗(yàn)證此信號是否來自邊墻反射，調(diào)整天線與邊墻距離后，再次進(jìn)行檢測，結(jié)果表明當(dāng)天線與邊墻距離改變時(shí)，時(shí)間深度隨邊墻距離變化。見圖14。

（3）管道干擾。

鐵路隧道仰拱是各種排水管道密集的地方，應(yīng)防止管道信號與空洞信號混淆形成的誤判。由圖15可知，管道反射信號較空洞反射信號規(guī)整，單管道為單尖波，雙管道為雙尖波。

3 結(jié)語

（1）重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中，探地雷達(dá)能清晰的判斷出仰拱厚度及內(nèi)部缺陷，但當(dāng)仰拱超過一定深度時(shí)，鋼筋及拱架數(shù)量及間距無法判斷。

（2）仰拱檢測環(huán)境復(fù)雜，且筆者工作經(jīng)歷有限，因此，如何正確識(shí)別干擾信號和有效信號，尚待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國鐵道部TB10223-2004.鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].北京：中國鐵道部，2004：5-7.

[2] 李大心.探地雷達(dá)原理及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994：55-56.

[3] 裴巧玲.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院院報(bào)，2009，22（5）：8.

摘 要：重載鐵路隧道仰拱具有施工深度大、填筑層混凝土材料用量大且強(qiáng)度低、排水設(shè)施密集等特點(diǎn)。探地雷達(dá)檢測難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他鐵路隧道。如何保證在重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中的準(zhǔn)確性及可靠性一直困擾著鐵路檢測工作者們。本文以重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測為例，結(jié)合工程實(shí)踐，介紹了雷達(dá)法檢測重載鐵路隧道仰拱的方法、后期數(shù)據(jù)的分析與解釋以及檢測中常見干擾的解讀。

關(guān)鍵詞：重載鐵路 隧道仰拱 探地雷達(dá) 質(zhì)量檢測

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0021-04

重載鐵路始于20世紀(jì)20年代，至今已經(jīng)在世界上很多國家廣泛采用，特別是對于幅員遼闊的大陸國家，具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。所謂重載鐵路，是指年運(yùn)量為2000萬t的鐵路、單元或組合列車達(dá)到或超過5000 t、車輛中車軸軸重為25 t，具備以上條件之二者，可視為重載。

隨著國家重載鐵路隧道數(shù)量的逐年增加，其在運(yùn)營過程中暴露出來的病害也在接連發(fā)生。這就迫切需要一種高效、快速、全面的檢測方法來解決隧道病害這一難題，使隧道病害能夠提前得到治理。探地雷達(dá)檢測方法不僅克服了傳統(tǒng)方法只靠目測和打孔抽查對隧道質(zhì)量檢測的以點(diǎn)蓋面的不全面的缺點(diǎn)，而且是一種采用高科技手段，以其快速、高效、無損、高分辨率和高準(zhǔn)確率的優(yōu)點(diǎn)，在重載鐵路隧道質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

受諸多因素影響，重載鐵路隧道仰拱混凝土質(zhì)量可能出現(xiàn)厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求或脫空、不密實(shí)等質(zhì)量問題。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，需對鐵路隧道的仰拱質(zhì)量進(jìn)行快速且分辨率高的檢測，為隧道工程的科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 仰拱質(zhì)量檢測方法

由于重載鐵路隧道仰拱具有施工深度大、填筑層混凝土材料用量大且強(qiáng)度低、排水設(shè)施密集等特點(diǎn)。檢測時(shí)測線布置、波速標(biāo)定及天線頻率的選擇與其他鐵路隧道檢測存在一定差異。

1.1 測線布置[1]

仰拱檢測，測線布置以縱向布置為主，橫向布置為輔，檢測中發(fā)現(xiàn)不合格地段應(yīng)加密測線。測線布置應(yīng)盡量避開干擾物體，且不影響標(biāo)記的識(shí)別?？v向測線一般布置于仰拱行車中心線附近，需要分段測量時(shí)，相鄰測量段接頭重復(fù)長度不應(yīng)小于1 m；橫向測線間距一般為8～12 m。

1.2 波速標(biāo)定

檢測前應(yīng)對仰拱混凝土的波速進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，每隧道不應(yīng)少于1處，每處實(shí)測3次，以平均值作為該處電磁波速。當(dāng)隧道仰拱材料或含水量發(fā)生較大變化、或長度大于3 km時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量。波速標(biāo)定方法主要有兩種：（1）在已知厚度的部位或材料與隧道仰拱相同的預(yù)制件上進(jìn)行，且厚度不小于15 cm；（2）鉆孔實(shí)測。標(biāo)定波速按公式（1）計(jì)算。

（1）

式中：為電磁波在傳播介質(zhì)中的傳播速度（m/s）；為標(biāo)定體厚度（m）；為電磁波在介質(zhì)中的雙程走時(shí)（ns）。

1.3 天線頻率選擇[2]

雷達(dá)天線頻率的選擇應(yīng)綜合考慮不同頻率的電磁波在介質(zhì)中的探測深度、分辨率和目標(biāo)體的幾何特性等因素。天線中心頻率的選擇應(yīng)滿足式（2）要求。

（2）

式中：為天線中心頻率（MHz）；為目標(biāo)體預(yù)計(jì)埋藏深度（m）；為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s），實(shí)際檢測中，以標(biāo)定波速為準(zhǔn)。

以某重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測為例，圖1、圖2分別為500 MHz天線和250 MHz天線在同一部位的仰拱檢測圖像，兩圖分層界面均清晰可見，層厚約1 m左右。但相對250 MHz天線檢測圖像，500 MHz天線檢測圖像分層界面下鋼筋則更加明顯。

當(dāng)層厚超過1.5 m時(shí)，500 MHz天線不能滿足檢測深度要求，此時(shí)選擇250 MHz天線進(jìn)行檢測。見圖3、圖4。250 MHz天線檢測圖像分層界面清晰，500 MHz天線檢測圖像則無法看清分層界面。

由此可知，天線頻率的選擇直接影響檢測結(jié)果的可靠性。當(dāng)目標(biāo)體深度小時(shí)，500 MHz天線用于檢測仰拱厚度及仰拱中鋼筋數(shù)量及間距，250 MHz天線可用于檢測仰拱厚度，但不能確定鋼筋數(shù)量。當(dāng)目標(biāo)體深度較大時(shí)，500 MHz天線無法檢測仰拱厚度及鋼筋數(shù)量，250 MHz天線可用于檢測仰拱厚度，但無法檢測仰拱中鋼筋數(shù)量及間距。

2 數(shù)據(jù)的分析及解釋

探地雷達(dá)記錄了電磁脈沖由發(fā)射到被接收的時(shí)間及達(dá)到接收天線的能量，并將上述信息以波形或灰度的形式顯示在雷達(dá)圖像上，從而間接地對地下結(jié)構(gòu)物和埋藏物進(jìn)行成像，使其“可見”。復(fù)雜地段，雷達(dá)圖像具有一定的多解性，細(xì)致分析方能對雷達(dá)圖像準(zhǔn)確解釋。

2.1 常規(guī)波譜的判讀與解釋

（1）鋼筋。

金屬的介電常數(shù)很小，雷達(dá)波對其比較敏感。鋼筋在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為有規(guī)律的連續(xù)的小月牙形強(qiáng)反射信號，月牙波幅較窄或連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射，如圖5、圖6所示。

（2）不密實(shí)。

當(dāng)電磁波遇到不密實(shí)區(qū)域時(shí)，會(huì)在混凝土和空氣中發(fā)生多次反射，雷達(dá)圖像上，不密實(shí)表現(xiàn)為信號同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布，如圖7、圖8所示。

（3）脫空。

當(dāng)回填混凝土質(zhì)量較差或混凝土收縮變形速度不一致時(shí)，均可能造成脫空。脫空處電磁波反射信號較強(qiáng)，一般呈條帶狀分布。如圖9所示。

（4）夾層。

回填混凝土分層澆筑時(shí)，如果出現(xiàn)層間清渣不徹底，在交界面處，由于介質(zhì)電性發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)一反射層。仰拱回填時(shí)要求一次澆注，二次澆筑造成的夾層極易造成對仰拱厚度的誤判。如圖10所示。

（5）空洞。

由于混凝土、圍巖與空氣的電性差異較大，電磁波在介質(zhì)-空氣、空氣-介質(zhì)間傳播時(shí)，上下兩個(gè)界面會(huì)產(chǎn)生多次反射，在雷達(dá)剖面圖上呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征。如圖11所示。

2.2 常見干擾信號的判讀與解釋

識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。探地雷達(dá)在接收有效信號的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號，產(chǎn)生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。重載鐵路仰拱檢測中，常見干擾物有臺(tái)車干擾、邊墻干擾、排水管干擾等[3]。

（1）臺(tái)車干擾。

對施工過程中的仰拱質(zhì)量進(jìn)行檢測時(shí)，常遇到模板臺(tái)車的干擾信號。如圖12所示。對于臺(tái)車干擾信號，要求檢測人員現(xiàn)場檢測時(shí)詳細(xì)記錄現(xiàn)場情況，以防誤判。

（2）邊墻干擾。

由于雷達(dá)波以球面波的形式向空間傳播，少部分電磁波遇到邊墻等障礙物時(shí)，發(fā)生反射，引起邊墻干擾信號。圖13中，測線距離邊墻約4.5 m，空氣中電磁波速約 0.3 m/ns，按式t=2 d/v計(jì)算得，其雙程走時(shí)應(yīng)為30 ns左右，與圖中信號時(shí)間深度相符。

為了驗(yàn)證此信號是否來自邊墻反射，調(diào)整天線與邊墻距離后，再次進(jìn)行檢測，結(jié)果表明當(dāng)天線與邊墻距離改變時(shí)，時(shí)間深度隨邊墻距離變化。見圖14。

（3）管道干擾。

鐵路隧道仰拱是各種排水管道密集的地方，應(yīng)防止管道信號與空洞信號混淆形成的誤判。由圖15可知，管道反射信號較空洞反射信號規(guī)整，單管道為單尖波，雙管道為雙尖波。

3 結(jié)語

（1）重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中，探地雷達(dá)能清晰的判斷出仰拱厚度及內(nèi)部缺陷，但當(dāng)仰拱超過一定深度時(shí)，鋼筋及拱架數(shù)量及間距無法判斷。

（2）仰拱檢測環(huán)境復(fù)雜，且筆者工作經(jīng)歷有限，因此，如何正確識(shí)別干擾信號和有效信號，尚待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國鐵道部TB10223-2004.鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].北京：中國鐵道部，2004：5-7.

[2] 李大心.探地雷達(dá)原理及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994：55-56.

[3] 裴巧玲.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院院報(bào)，2009，22（5）：8.

摘 要：重載鐵路隧道仰拱具有施工深度大、填筑層混凝土材料用量大且強(qiáng)度低、排水設(shè)施密集等特點(diǎn)。探地雷達(dá)檢測難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他鐵路隧道。如何保證在重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中的準(zhǔn)確性及可靠性一直困擾著鐵路檢測工作者們。本文以重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測為例，結(jié)合工程實(shí)踐，介紹了雷達(dá)法檢測重載鐵路隧道仰拱的方法、后期數(shù)據(jù)的分析與解釋以及檢測中常見干擾的解讀。

關(guān)鍵詞：重載鐵路 隧道仰拱 探地雷達(dá) 質(zhì)量檢測

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0021-04

重載鐵路始于20世紀(jì)20年代，至今已經(jīng)在世界上很多國家廣泛采用，特別是對于幅員遼闊的大陸國家，具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。所謂重載鐵路，是指年運(yùn)量為2000萬t的鐵路、單元或組合列車達(dá)到或超過5000 t、車輛中車軸軸重為25 t，具備以上條件之二者，可視為重載。

隨著國家重載鐵路隧道數(shù)量的逐年增加，其在運(yùn)營過程中暴露出來的病害也在接連發(fā)生。這就迫切需要一種高效、快速、全面的檢測方法來解決隧道病害這一難題，使隧道病害能夠提前得到治理。探地雷達(dá)檢測方法不僅克服了傳統(tǒng)方法只靠目測和打孔抽查對隧道質(zhì)量檢測的以點(diǎn)蓋面的不全面的缺點(diǎn)，而且是一種采用高科技手段，以其快速、高效、無損、高分辨率和高準(zhǔn)確率的優(yōu)點(diǎn)，在重載鐵路隧道質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

受諸多因素影響，重載鐵路隧道仰拱混凝土質(zhì)量可能出現(xiàn)厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求或脫空、不密實(shí)等質(zhì)量問題。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，需對鐵路隧道的仰拱質(zhì)量進(jìn)行快速且分辨率高的檢測，為隧道工程的科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 仰拱質(zhì)量檢測方法

由于重載鐵路隧道仰拱具有施工深度大、填筑層混凝土材料用量大且強(qiáng)度低、排水設(shè)施密集等特點(diǎn)。檢測時(shí)測線布置、波速標(biāo)定及天線頻率的選擇與其他鐵路隧道檢測存在一定差異。

1.1 測線布置[1]

仰拱檢測，測線布置以縱向布置為主，橫向布置為輔，檢測中發(fā)現(xiàn)不合格地段應(yīng)加密測線。測線布置應(yīng)盡量避開干擾物體，且不影響標(biāo)記的識(shí)別?？v向測線一般布置于仰拱行車中心線附近，需要分段測量時(shí)，相鄰測量段接頭重復(fù)長度不應(yīng)小于1 m；橫向測線間距一般為8～12 m。

1.2 波速標(biāo)定

檢測前應(yīng)對仰拱混凝土的波速進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，每隧道不應(yīng)少于1處，每處實(shí)測3次，以平均值作為該處電磁波速。當(dāng)隧道仰拱材料或含水量發(fā)生較大變化、或長度大于3 km時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量。波速標(biāo)定方法主要有兩種：（1）在已知厚度的部位或材料與隧道仰拱相同的預(yù)制件上進(jìn)行，且厚度不小于15 cm；（2）鉆孔實(shí)測。標(biāo)定波速按公式（1）計(jì)算。

（1）

式中：為電磁波在傳播介質(zhì)中的傳播速度（m/s）；為標(biāo)定體厚度（m）；為電磁波在介質(zhì)中的雙程走時(shí)（ns）。

1.3 天線頻率選擇[2]

雷達(dá)天線頻率的選擇應(yīng)綜合考慮不同頻率的電磁波在介質(zhì)中的探測深度、分辨率和目標(biāo)體的幾何特性等因素。天線中心頻率的選擇應(yīng)滿足式（2）要求。

（2）

式中：為天線中心頻率（MHz）；為目標(biāo)體預(yù)計(jì)埋藏深度（m）；為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s），實(shí)際檢測中，以標(biāo)定波速為準(zhǔn)。

以某重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測為例，圖1、圖2分別為500 MHz天線和250 MHz天線在同一部位的仰拱檢測圖像，兩圖分層界面均清晰可見，層厚約1 m左右。但相對250 MHz天線檢測圖像，500 MHz天線檢測圖像分層界面下鋼筋則更加明顯。

當(dāng)層厚超過1.5 m時(shí)，500 MHz天線不能滿足檢測深度要求，此時(shí)選擇250 MHz天線進(jìn)行檢測。見圖3、圖4。250 MHz天線檢測圖像分層界面清晰，500 MHz天線檢測圖像則無法看清分層界面。

由此可知，天線頻率的選擇直接影響檢測結(jié)果的可靠性。當(dāng)目標(biāo)體深度小時(shí)，500 MHz天線用于檢測仰拱厚度及仰拱中鋼筋數(shù)量及間距，250 MHz天線可用于檢測仰拱厚度，但不能確定鋼筋數(shù)量。當(dāng)目標(biāo)體深度較大時(shí)，500 MHz天線無法檢測仰拱厚度及鋼筋數(shù)量，250 MHz天線可用于檢測仰拱厚度，但無法檢測仰拱中鋼筋數(shù)量及間距。

2 數(shù)據(jù)的分析及解釋

探地雷達(dá)記錄了電磁脈沖由發(fā)射到被接收的時(shí)間及達(dá)到接收天線的能量，并將上述信息以波形或灰度的形式顯示在雷達(dá)圖像上，從而間接地對地下結(jié)構(gòu)物和埋藏物進(jìn)行成像，使其“可見”。復(fù)雜地段，雷達(dá)圖像具有一定的多解性，細(xì)致分析方能對雷達(dá)圖像準(zhǔn)確解釋。

2.1 常規(guī)波譜的判讀與解釋

（1）鋼筋。

金屬的介電常數(shù)很小，雷達(dá)波對其比較敏感。鋼筋在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為有規(guī)律的連續(xù)的小月牙形強(qiáng)反射信號，月牙波幅較窄或連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射，如圖5、圖6所示。

（2）不密實(shí)。

當(dāng)電磁波遇到不密實(shí)區(qū)域時(shí)，會(huì)在混凝土和空氣中發(fā)生多次反射，雷達(dá)圖像上，不密實(shí)表現(xiàn)為信號同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布，如圖7、圖8所示。

（3）脫空。

當(dāng)回填混凝土質(zhì)量較差或混凝土收縮變形速度不一致時(shí)，均可能造成脫空。脫空處電磁波反射信號較強(qiáng)，一般呈條帶狀分布。如圖9所示。

（4）夾層。

回填混凝土分層澆筑時(shí)，如果出現(xiàn)層間清渣不徹底，在交界面處，由于介質(zhì)電性發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)一反射層。仰拱回填時(shí)要求一次澆注，二次澆筑造成的夾層極易造成對仰拱厚度的誤判。如圖10所示。

（5）空洞。

由于混凝土、圍巖與空氣的電性差異較大，電磁波在介質(zhì)-空氣、空氣-介質(zhì)間傳播時(shí)，上下兩個(gè)界面會(huì)產(chǎn)生多次反射，在雷達(dá)剖面圖上呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征。如圖11所示。

2.2 常見干擾信號的判讀與解釋

識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。探地雷達(dá)在接收有效信號的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號，產(chǎn)生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。重載鐵路仰拱檢測中，常見干擾物有臺(tái)車干擾、邊墻干擾、排水管干擾等[3]。

（1）臺(tái)車干擾。

對施工過程中的仰拱質(zhì)量進(jìn)行檢測時(shí)，常遇到模板臺(tái)車的干擾信號。如圖12所示。對于臺(tái)車干擾信號，要求檢測人員現(xiàn)場檢測時(shí)詳細(xì)記錄現(xiàn)場情況，以防誤判。

（2）邊墻干擾。

由于雷達(dá)波以球面波的形式向空間傳播，少部分電磁波遇到邊墻等障礙物時(shí)，發(fā)生反射，引起邊墻干擾信號。圖13中，測線距離邊墻約4.5 m，空氣中電磁波速約 0.3 m/ns，按式t=2 d/v計(jì)算得，其雙程走時(shí)應(yīng)為30 ns左右，與圖中信號時(shí)間深度相符。

為了驗(yàn)證此信號是否來自邊墻反射，調(diào)整天線與邊墻距離后，再次進(jìn)行檢測，結(jié)果表明當(dāng)天線與邊墻距離改變時(shí)，時(shí)間深度隨邊墻距離變化。見圖14。

（3）管道干擾。

鐵路隧道仰拱是各種排水管道密集的地方，應(yīng)防止管道信號與空洞信號混淆形成的誤判。由圖15可知，管道反射信號較空洞反射信號規(guī)整，單管道為單尖波，雙管道為雙尖波。

3 結(jié)語

（1）重載鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中，探地雷達(dá)能清晰的判斷出仰拱厚度及內(nèi)部缺陷，但當(dāng)仰拱超過一定深度時(shí)，鋼筋及拱架數(shù)量及間距無法判斷。

（2）仰拱檢測環(huán)境復(fù)雜，且筆者工作經(jīng)歷有限，因此，如何正確識(shí)別干擾信號和有效信號，尚待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國鐵道部TB10223-2004.鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].北京：中國鐵道部，2004：5-7.

[2] 李大心.探地雷達(dá)原理及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994：55-56.

[3] 裴巧玲.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院院報(bào)，2009，22（5）：8.