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钟世航1，王荣2

(1.北方交通大学 中国铁路工程总公司隧道及地下工程实验研究中心,2.钟世航工作室)

探地雷达已被大量用于工程检测中,并已取得很好的效果。我们用探地雷达做过66座隧道的衬砌质量检测,隧道总长达60km以上雷达探查测线长近250km,打印的时间剖面图长度累计达4500m以上。这些检测包含对隧道衬砌质量的评价、隧道的隐患探查、指出需作处理的部位并对存在的质量问题提出工程建议。因此,这些检测不仅涉及物探本身的技术问题,还涉及较多的隧道设计和施工的问题。工作做得越多,越感物探本身在定性定量解释方面还存在许多要解决的问题。

本文所示图中，G为钢质拱架,为钢筋网，W为地下水,K为小空区。

混凝士衬砌、喷射混凝土与围岩(或其间空区中的空气)有明显的介电常数差,因此在时间剖面图上,衬砌底面和岩石之间有明显的界线。雷达发射的直达波延续4个周期以上,呈现几条平直的水平同相轴的图像,0~12ns左右的目标物的反射波均与它相叠。但围岩开挖总有或大或小的不平,故衬砌底界,即它与围岩的分界面的反射波同相轴一般为有起伏的非直线图像。喷射混凝土与模筑衬砌介电常数有差别,但不是很大,它们之间若接触很好或粘结,则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。如果喷射混凝土中有钢质拱架和钢筋网,由于它们可强烈地反射雷达波,故可看到连续的绵延的反射图像(图1)。图1中K为二层衬砌间的小空。

雷达对钢质的拱架及钢筋网有很好的反映。可见图1、2、3 中的钢筋网图像,图5 和图6 上则有钢质拱架的图像。

喷射混凝土与模筑衬砌间不超过1?㎡的空隙其典型图像是一个双曲线形同相轴(它与溶洞、坍方回填体中的空洞图像相近,可参看图1~3中的典型图像)。

大的空区则需从喷层面与模筑衬砌间不粘接这种情况去判释(图 4)。对于喷射混凝土+模筑的复合式衬砌,二者之间的空隙应在雷达图像上有如下特征:喷层表面和模筑衬砌底面间存在空隙,混凝士与空气相接而产生较强的反射波,在图像上出现清晰而连续的同相轴,与喷层与模筑衬砌间粘接较好时出现的不清晰或不存在反射同相轴,或与钢拱架和钢筋网形成的断续而绵延的图像有所区别(图3)。采用灰度方式打印的时间剖面对此反映不够清晰,作资料判释时在计算机显示屏上显示出彩色色条图像,不同颜色色条反映不同的反射波振幅,根据它来分辨喷层与模筑混凝土间是否有空隙比较清晰。若反射波振幅较大,则表明二者间有空隙,振幅大者为空隙较大者。

图3中C1为衬砌底界,C2为模筑衬砌底界;P1为两层间粘合好之喷层面,P2为两层间空的喷层面。图4中Y为开挖的岩面,C为衬砌底面。

发生过坍方的地方的雷达图像有2个特征

1.发生坍方处,岩体的表面与回填的物质有明显的界面;

2.发生坍方处,岩体有松动,松动的岩体的节理面等对雷达波反射,使坍方处岩体产生比未坍岩体强而深的反射图像。坍方往往与地下水活动相伴,或坍后岩体松动易导引地下水汇集,地下水的活动在图像中有反映。坍方后回填若有空洞,可在图像上反映。

图5中C为衬砌底界,K为回填体中的空洞图6中K为坍体中未填实的空洞。

地下水往往沿岩体中节理裂隙向隧道渗流。水对雷达波有强烈的反射,造成地下水运动强烈地段明显的雷达波反射特征。地下水渗入到衬砌中也对雷达有明显的反射。图1、5和图6、7标记W者即为围岩中地下水或侵入到喷层和模筑衬砌间的水的图像。

由于隧道开挖,在岩体中出现空区,形成水压为0的集水空间,因此,即使开挖时干燥的隧道,在开挖后二、三年,甚至运营几年后,也可能产生水的聚集,出现水害。在处理隧道漏水时,掌握围岩中地下水通道的位置是很必要的。

有些隧道穿过石灰岩等易溶蚀的岩体,隧道围岩中有溶洞,这是潜在的危险。检测中可发现这些溶洞。图7为其中一份资料,图中K为两层间的小空,可见到地下水已浸入到防水板。

雷达发射的子波通常为3~4个周期,对于较薄的衬砌,其底界的反射信号往往与雷达的直达波相叠加。复合式衬砌两层衬砌间界面的反射波也必与雷达的直达波相鲁加。资料解释时,如何辨别这些基本上是水平的反射面的反射波是一个关键。近来,有些论文介绍了利用波动方程偏移、小波变换分形技术等分辨异常,但尚未投入大量的实用。面对这样大量的图件、资料,作者依靠对探测对象的较深入认识、对施工工艺及施工过程的认识,来分辨反射面两边介质产生的图像细节的不同。

1.隧道采用钻爆法开挖时,周边孔必有向外的偏角,加之岩体的节理,爆破后的开挖者体表面凹凸不平、呈锯齿状,因此其反射波同相轴示不平直,有1~3ns的起伏;

2.岩体中有节理发育、岩性变化等情况,也有地下水沿节理和裂隙侵入,而衬砌中有钢筋、钢拱架,它们的雷达图像有差别。

3.混凝土层表面起伏不平,二次衬砌的模筑混凝土面则基本平顺。图1、3是反映衬砌底界的喷层与模筑界面的典型图像。

有人介绍,他们能以毫米级的精度给出衬砌厚度值,并得到钻孔验证。作者认为,这或许是巧合或许是另有玄机。因为从钻孔中用钢尺丈量衬砌的厚度,其误差也在1~2cm以上。众所周知,雷达测得的是雷达波的反射时,而厚度为D=(△t·V)/2V为雷达波在介质中的传播速度,V=C0/ε,其中C为雷达波在空气中的波速,C0=30cm/ns,ε为介质的介电常数,空气的ε=1,水的ε=81,混凝土的。为4.5~7，岩石的ε为4~15,因此,雷达检测给出厚度(深度)的精度取决于取得的波速的精度。有一些工作者通过查表选取ε值,显然是不可行的。现场实测波速值是必须的。用共中心点法、钻孔旁短剖面法、在已知衬砌厚度处实测等都是可选择的方法。据作者统计,实测的混凝土衬砌波速差可达10%以上。在十几个隧道中仅测取几个波速值是远远不够的。因此,作者对每个隧道都要测取2个以上波速值,以争取达到±2cm的检测精度。

其次,发射与接收天线间有一定距离,多在15~25cm间。对于较薄的测量对象,测量的结果应当作偏移距校正。在处理软件中没有自动校正计算程序的情况下,手工校正的工作量极大,而且仪器说明书上并未注明天线距。作者采取了一个变通的办法:用检测时使用的天线,对相近厚度的衬砌作孔旁测深,这样反算出一个速度值,它并不是真的速度值,可称之为“视”速度值。用这个速度值去计算衬砌厚度,而不去绕弯使用ε。实际上在不知道天线距的情况下,算出的ε值也是不准确的。

由于要测的衬砌界面常常是凹凸不平的,直接由反射时计算的深度值并非该测点垂直衬砌表面的深度,需要作偏移校正,特别在开挖的岩面过于起伏时,不作偏移校正会带来较大的距离误差。在被检测方要打钻孔验证或有隐患地点要钻孔注浆处理时,这种距离误差是不可忽略的,应当添加偏移校正的程序。目前,人们只能采取一些别的办法避免被测方因此而产生的误解。

在复合式衬砌中.先作喷射混凝土支护.然后铺设防水板(有时不设防水板),最后浇筑模筑混凝土衬砌,如果两层衬砌之间密贴很好,则两层间界面的反射波很微弱,若两层之间有较大的空,则雪达波从模筑混凝土层进入空气,再进入喷射混凝土层,两层间的空区产生较强的反射波。如果此空高度在5cm以上,有可能得到2个反射波(模筑衬砌与空气界面及空气与喷射混凝土界面),这2个反射波的相位是相反的。被测者有时希望给出这一空区的高度。但这一高度实际上是测不准的,因为这空区中充填的是含水率较高的空气,干燥空气的ε=1,水的ε=81,空区的空气中含水率多少无法判定,所以潮湿空气的。也无法判定,目前也无法实测。所以作者主张明确说明只能给出概略值。

用探地雷达检测隧道衬砌的质量有很大需求雷达也能较好地完成任务。但出于经济原因,需要考虑工作效率,既要考虑现场采集数据的效率,也要考虑资料处理及定性定量解释的效率。为此,有必要增添一些处理及解释的程序,也有必要采用一些变通办法,在一定条件下简化内业工作。

在进行定性定量解释时,应认清目前雷达及处理软件存在的问题,特别是应注意定量解释的精度取决于选取的波速的精度,应当加强现场实测波速的基础工作,并应考虑天线收一发距的问题.避免出现不实或误会。

在做隧道衬砌检测时，下工夫收集与熟悉设计资料 、尽量多地了解隧道的有关规范、掌握设计与施工知识是十分必要的。

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作者简介:钟世航(1940-),男,1962 年毕业于北京地质学院物探系,后在铁道部科学研究院从事环境及工程地球物理的科研及生产,以及隧道及地下工程的科研,设计与施工等方面的工作。曾发表论文 60 余篇。退休后受聘于隧道及地下工程研究试验中心(属北方交大和中铁工程总公司)等单位,并自成立钟世航工作室。