隧道壁后注浆探地雷达检测及结果分析

上海延安东路北线隧道峻工于1988年，隧道全长2261m，其中圆形隧道长1476.0m；南线隧道峻工于1996年，隧道全长2207.5m，其中圆形隧道长1310.5m。南、北线隧道组成双向4车道隧道，隧道外径均为11.00m，衬砌厚度0.55m。隧道设计车速为50km/h，设计建筑限界高4.5m，挂牌限高为4.0m。隧道现状共设两座通风井。

北线隧道运营至今已有25年，南线隧道也有17年，隧道内设备老旧，备品、备件缺失，管道锈蚀，并且隧道内消防设施、设备系统简陋，早期建造的设备系统已不能满足现行设计规范。尤其是隧道管片壁后注浆层在长期的列车振动影响下，是否仍维持着最初设计的形态？这是隧道大修工程需要探索解决的重要问题之一。

本文介绍了采用探地雷达这一无损探测技术对盾构段进行管片壁后注浆的厚度进行探测，并结合现场数据采集和应用，客观地判别并展示管片壁后注浆层的空间分布，为隧道大修提供参考和建议。

探地雷达是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术，利用发射天线将高频电磁波（10～5000MHz）以宽频带短脉冲形式送入介质内部，经目标体反射后回到表面，由接收天线接收回波信号。相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言，通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。

雷达探测剖面图常以脉冲反射波的波形形式记录[1]，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目的体。在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达成像剖面。根据雷达剖面图像，可以快速、直观地判断反射界面或目的体，且无损伤。其探测原理如图1所示（右侧为雷达反射波形，A1、A2、A3分别对应3个反射界面）

探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的目的。然而探地雷达剖面反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质体分布，必须把地质、钻探、探地雷达3方面资料有机地结合起来，建立测区的地质-地球物理模型，以此获得地下地质模式。

1）反射层的拾取[2]。探地雷达地质解释基础是拾取反射层。通常从过勘探孔的测线开始，根据勘探孔与雷达图像的对比，建立各种地层的反射波组特征。识别反射波组的标志为同相性、相似性及波形特征等。

2）时间剖面解释。在进行时间剖面对比之前，要掌握区域地质资料，了解测区所处的构造背景。在此基础上，充分利用时间剖面的直观性和范围大的特点，统观整条测线，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质构造特征，其中特别要重点研究特征波的同相轴变化。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。掌握了特征波就能研究剖面的主要地质构造特点。

如上所述，原始雷达信号需通过图像后处理才能被识别。本次分析通过图2的流程对壁后注浆图像进行检验[3]。

探地雷达数据的采集是探地雷达应用的首要工作，直接影响到探测图像的质量及解释的准确程度。本次探测试验，重点是观测管片外壁注浆层的分布情况。根据查阅原设计资料可知，该隧道管片的厚度为55cm，根据以往完成的混凝土探测与模型试验成果及探测经验，采用国外公司生产的EKKO-PRO 500型探地雷达，既能保证雷达波有一定的穿透能力，又能确保探测图像的较高分辨率。采用单通道方式，由主机控制进行完成连续数据采集，采集现场可对数据及波形实现实时彩显。

本次检测采用的是屏蔽型天线，天线的中心频率为500MHz，天线分离距固定为0.38m，迭加次数为32，采样间隔为0.1ns。为保证测距及定位的准确性，采用触发轮控制数据采集，点距为2.5cm。另外，还进行了其他中心频率的测试（包括250MHz等）。

根据隧道内的条件，数据采集的方向选择从浦东入口向浦西方向，共计布置3条轴向测线（由浦西往浦东方向看，分别为12、11、7点钟方向，）。图3为雷达测线示意图（拱顶2条、下通道内1条）。为便于数据管理，现场数据采集时，一般每100m数据保存为1个原始雷达文件。鉴于高空作业车的移动控制难度非常大，采集时会根据实际情况（如需绕开路面及空中障碍物等）调整。

在拱顶2条测线（Line12、Line11）的雷达数据采集时，雷达天线由2名工人托举，使天线紧贴管片表面，车辆由浦东向浦西方向慢速前进，每百米停车保存数据，遇到障碍时暂停采集，然后越过障碍物继续采集。下通道检测时采用人工推行雷达检测车作业模式。

雷达剖面图像的解释是雷达检测的最终目的。识别雷达剖面上各种波的主要标志包括4个方面：同相性、振幅显著性增强、波形特征及时差变化规律。在进行波的对比时，还应注意实际情况的复杂性，需结合整个工程的资料，分析记录波形变化的原因。

另外，为了实现时深转换（即将电磁波的双程旅行时间转换为传播距离），必须获取电磁波在介质中传播的速度。雷达波在空气中的传播速度近似于其在自由空间的传播速度（0.3m/ns）。而在实际探测任务中，由于地下介质的相对介电常数是未知的，所以在一些典型的地下介质中，在含水量已知的前提下，可以初步确定其介电常数和电导率，从而估算出雷达波的传播速度。目前，雷达波在介质传播速度可以通过现场测量及钻孔获得目标层的标定或现场取样室内测定的方式获得。

由于本次无法通过现场取样，获取管片壁后注浆材料的介电参数，无法精确获得电磁波在注浆层中的传播速度。如果有条件获得注浆材料的配比，可以在实验室内模拟测定不同龄期条件下的介电参数，并推定预测若干年之后注浆层的介电常数，从而求得能够反映现状的电磁波在注浆层中的传播速度，以提高对注浆层厚度解释的可信度。本次探测项目，对于雷达波在注浆层的传播速度的估计，参考了目前在上海地区不同轨道交通及公路越江隧道注浆层检测试验的数据。考虑到隧道的埋置深度及地层含水情况，根据管片与注浆层的反射幅度强弱，取0.08～0.09m/ns的速度来推算延安路隧道管片注浆层的厚度。

每条雷达探测剖面，水平方向为天线移动的位置点；左两侧竖直方向轴为雷达波的双程旅行时间。通过对原始数据进行预编辑、反振幅衰减补偿、滤波等处理，获得了较为清楚的雷达剖面。以下分别对3个不同位置测线所获取的雷达数据进行解释。通过图2所示方法，可获得如图4所示的壁后注浆厚度图像，纵轴为雷达波双程走时，即为在检测点出雷达从发射到接收的总时间。管片和注浆层厚度为双程走时与在上述介质中传播波速的乘积。

为配合大修工程的顺利开展，采用探地雷达对延安东路隧道北线管片壁后注浆层进行了全线探测。

2.4.1壁后注浆在横断面上的分布规律

从壁后注浆检测结果上看，隧道横断面上，上方11、12测线注浆量分布不均匀，变异性较大，隧道底部注浆较为密实，变异性较小。从纵向分布上看，江中段填充较为充分，风井附近较为薄弱。

值得注意的是，由于本次探测未能获取注浆层的样品，无法精确测定电磁波在注浆层的传播速度；而仅是借鉴了以往的探测经验数据进行厚度换算，厚度差别的误差是客观存在的。

2.4.2壁后注浆沿隧道纵向分布规律

如图5所示，隧道上方11测线沿隧道纵向分布规律有较大的波动性，在江底注浆较为密实，在工作井附近波动性较大，说明注浆控制较为困难。

通过对上海延安东路隧道进行全线探地雷达检测，主要结论有：

1）通过探地雷达方式可以对衬砌脱空及壁后注浆厚度进行有效的探测。

2）为了提高检测的准确性，宜对隧道衬砌和壁后注浆的介电常数进行全面的测定。同时应引入自动化检测手段，以提高检测的稳定性和标准化。

参考文献(References):

［1］曾昭发，刘四新，王者江，等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006，

［2］粟毅，黄春琳，雷文太.探地雷达理论与应用[M].北京：科学出版社，2006.

［3］赵永辉，谢雄耀，王承.地下管线雷达探测图像处理及解释系统[J].同济大学学报（自然科学版），2005，33（9）：1253～1258.