地铁隧道衬砌病害探地雷达图像特征分析

刘恩军，冯 强，余海忠

（1. 深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518029；2. 深圳市宝安区建筑工务署，广东深圳 518000）

1 引言

随着探地雷达检测技术不断发展，其用途也越来越广，其中低频率（12.5～100 MHz）的探地雷达主要用于矿山探测、地质分层、地质灾害探测[1]、海堤检测[2]等；中频率（100～1 000 MHz）的探地雷达由于探测精度更高，可分辨的层位和目标更精细，可用于铁路路基检测、公路路面检测[3]、地下管线的探测[4]、隧道质量检测[5-6]、机场停机坪及跑道检测[7]、地面塌陷检测等；高频率（＞1 000 MHz）的探地雷达则主要用于钢筋分布检测。

目前，我国地铁建设正处于高潮期，全国已有40多个城市开通地铁，上海、北京、广州、成都等地已经开通了10条以上地铁运营线路，截至2021年12月31日，深圳已开通地铁运营线路11条，累计线路长度431.03 km，预计到2035年，深圳将建成1 335 km的地铁线路。随着地铁建设的快速发展，地铁隧道的质量检测手段也在发生变化，常规的检测方法难以解决一些隐蔽的质量问题，探地雷达等高科技无损检测技术已成为一种常用的检测手段，然而探地雷达的检测效果却因人而异，主要原因是部分检测人员对隧道衬砌病害的探地雷达图像特征没有掌握透彻，因此，通过总结地铁隧道衬砌的病害类型及其探地雷达图像特征，提高地铁隧道衬砌质量的检测效率尤为重要。

2 隧道主要施工方法及其衬砌的病害类型

2.1 地铁隧道的主要施工方法

地铁隧道的主要施工方法包括：沉管法（水底）、盖挖法、明挖法、暗挖法。由于地铁隧道多位于城市复杂环境中，故暗挖法使用最为广泛。暗挖法又分为顶管法、新奥法、盾构法、矿山法等，其中矿山法和盾构法应用最为广泛，目前深圳地铁的隧道主要采取这2 种方法进行施工。

2.1.1 矿山法

矿山法又称浅埋暗挖法，主要利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力，通过喷射混凝土形成初期支护（以下简称“初支”），保护围岩或土层表面，待初支形成后浇筑二衬混凝土。该方法适合于黏性土层、砂层、砂卵层等城市地区松散土介质围岩条件，在隧道埋深小于或等于隧道直径的情况下，依然可以达到很小的地表沉降效果，对城市交通的影响最小，可以省去许多拆迁、道路占用和掘路等报批程序，对环境无污染、无噪声、不扰民，适合于各种尺寸与断面形式的地铁隧道。

2.1.2 盾构法

盾构法是采用盾构机在地面以下直接暗挖隧道的一种自动化程度很高的施工方法。盾构机每顶进一环距离，就在盾尾拼装一环管片并进行管片壁后注浆填补空隙，具有安全可靠、施工速度快等特点。盾构隧道一般为圆形，目前也有少量双圆、椭圆、矩形等异形盾构隧道。

2.2 地铁隧道衬砌的病害类型

2.2.1 矿山法隧道衬砌的病害类型

矿山法施工主要由人工进行，工序复杂，难点较多，因此在施工过程中容易出现各种病害，主要出现在二衬和初支之间。具体的病害包括：二衬与初支间存在脱空；二衬后存在空洞；二衬混凝土不密实；围岩欠挖及二衬厚度不够。

这些病害问题往往比较隐蔽，从外观上难以发现，必须借助检测手段才能获悉。

2.2.2 盾构隧道衬砌的病害类型

随着地铁隧道盾构施工经验的不断积累，已经形成了一套非常成熟的地铁隧道盾构设计、施工计算理论和操作细则，因此盾构法施工的隧道质量较其他方法更为可靠。但如果施工人员操作不当、盾构机选型错误，也会出现以下质量问题：①盾构管片出现明显错台；②盾构管片接缝处渗漏；③盾构管片破损、裂缝、螺栓松动等；④盾构管片后方充填不密实。

前3项病害问题从外观上便可获悉，一般无需借助检测手段，第4项病害问题外观上难以发现，必须借助检测手段才能获悉。主要和电磁波频率有关，频率越低则穿透的越深。探地雷达原理示意如图1所示，以2层均匀介质为例，电磁波在第一层介质中的传播速度为v，当图中x （发射天线与接收天线中心点之间的距离）远小于h （反射界面的埋藏深度）时，可根据探地雷达记录中反射波的到达时间差 t，由近似公式（1）计算出反射界面的埋藏深度h。

图1 探地雷达原理示意图

3 探地雷达基本原理和工作方法

3.1 探地雷达基本原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar）又称为地质雷达（Geology Prospecting Radar），英文缩写都是“GPR”，是一种电磁类物探方法，通过向地下发射电磁波、接收地下反射波并分析反射波的特征来判断地下结构，20世纪90年代引入中国，得到了广泛应用。根据电磁波在有耗介质中的传播理论，发射天线向地下发射高频脉冲电磁波，当遇到地下不均匀体或地质界面时会反射一部分电磁波回来，另一部分继续向下传播，遇到界面再反射，直至电磁波能量耗尽，电磁波的穿透能力

电磁波在介质中的传播速度v可由公式（2）计算得到：

式（2）中，c是电磁波在空气中的传播速度，相当于光速，约为3×108m/s；ε为相应地层的相对介电常数。

地质界面电磁波反射信号的振幅与地质界面的反射系数有关，反射系数R可表示为：

式（3）中，ε1为界面以上介质的相对介电常数；ε2为界面以下介质的相对介电常数。反射信号的强度主要取决于上、下层介质的相对介电常数差异，介电常数差异越大，电磁波反射信号越强。当衬砌混凝土背后回填不密实时，混凝土与围岩之间有空隙，由于空气与混凝土的相对介电常数差别较大，因此电磁波在混凝土与空气之间将产生很强的反射信号。

3.2 探地雷达工作方法

不同构造的探地雷达设备工作方法不同，当发射天线和接收天线可分离时，采用宽角法和剖面法；当发射天线和接收天线为一个整体时，则采用剖面法。

宽角法工作时，可以采用一个天线固定，另一个天线移动的方式，也可以两个天线同时由一中心点向两侧反向移动。对于同一界面的反射波，天线间距不同，反射波到达时间也不同。距离越大，反射波到达时间越长，这样采集的雷达图形以天线间距为横坐标，双程传播时间为纵坐标，同相轴呈倾斜形态，速度越小同相轴越陡，速度越大同相轴则越缓，通过同相轴的斜率可以计算介质的电磁波速度。

剖面法是发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的方法，其记录点位于两个天线之间的中点。剖面法工作时，可采用手工点测触发、自动连续触发和测距轮控制触发等方式，高频探地雷达采集速度很快，目前部分设备还可实现实时采样，因此在做高速公路或铁路检测时，可安装在车上进行快速检测，检测速度最高可达100 km/h。

随着探地雷达装备的发展，目前还有二维天线阵和三维探地雷达的工作方法。

3.3 探地雷达数据处理方法

探地雷达数据处理的方法主要有球面指数补偿增益（SEC增益）、自动增益控制（AGC增益）、道平均滤波、点平均滤波、频率域（低通、高通、带通）滤波、二维（频率波数域）滤波、偏移归位处理、反褶积处理、小波变换处理、地形改正及修饰性处理等。对于高频雷达，由于其天线一般可做成屏蔽式的，抗干扰能力较强、信噪比高，可根据实际情况选择合适的方法进行处理。

4 隧道衬砌病害的探地雷达图像特征

通过大量的隧道衬砌病害检测实验和对比，同时经过现场验证，总结出正常衬砌与常见病害的探地雷达图像特征。

4.1 正常衬砌

正常衬砌的探地雷达图像如图2所示，从图中可明显发现二次衬砌中存在2层钢筋，钢筋保护层厚约5 cm，二次衬砌厚约35 cm，且厚度均匀，说明衬砌质量比较稳定。从图中还可看出，二衬和初支间界面反射波能力弱，表明衬砌之间结合紧密，无脱空现象。围岩内部无杂乱反射，表明围岩完整，未受扰动。

图2 正常衬砌的探地雷达图像

4.2 二衬与初支间存在脱空

存在脱空的探地雷达图像如图3所示，从图中可发现初支面起伏较大，二衬与初支间反射波能量很强，界面反射系数大，说明二衬与初支结合不够紧密，交界面存在空气，即存在脱空现象。

图3 存在脱空的探地雷达图像

4.3 二衬后存在空洞

二衬后存在空洞的探地雷达图像如图4所示，从图中可明显发现能量较强的双曲线型多次反射，说明衬砌后方存在空气，电磁波在界面上被反射回地面后又再次入射到该界面并再次反射，循环多次造成多次反射。

图4 二衬后存在空洞的探地雷达图像

4.4 二衬内混凝土不密实

二衬内存在三角形空洞的探地雷达图像如图5所示，从图中可发现衬砌中存在三角形空洞时，除了会产生能量较强的多次反射外，还有一个特征就是会产生倾斜的反射同相轴。

图5 二衬内存在三角形空洞的探地雷达图像

二衬内存在拱形空洞的探地雷达图像如图6所示，和二衬后方存在空洞的图像特征类似，也是存在能量较强的双曲线型多次反射图像，只是其发育深度较浅，在二衬内部。

图6 二衬内存在拱形空洞的探地雷达图像

4.5 围岩欠挖及二衬厚度不够

围岩欠挖的探地雷达图像如图7所示，围岩欠挖时，初支面凸起，二衬厚度明显偏薄（只有20 cm厚，远低于设计值35 cm）。二衬厚度不够和围岩欠挖的区别在于二衬和初支的界面是平的，不存在初支面凸起的现象。

图7 围岩欠挖的探地雷达图像

5 检测实例

5.1 工程概况

深圳地铁5号线起于深圳前海湾站，线路经过南山、宝安、龙华、龙岗、罗湖5个行政区，终点位于罗湖区黄贝岭站，线路全长约40 km，共布设车站27座。5号线于2010年6月22日正式投入运营。其中，兴留区间由于不具备盾构法施工条件，采用矿山法施工，地铁公司为控制隧道施工质量，采用探地雷达技术对隧道衬砌进行了检测。

5.2 选用的仪器

检测采用RIS K2型探地雷达，配备600 MHz屏蔽天线，由测距轮自动控制采集，该仪器具有探测速度快、精度高的特点。

5.3 测线布置方式

针对5号线兴留区间隧道的断面形式，在隧道拱顶、两边拱腰、两边边墙处共布设了5条纵向探地雷达测线。

5.4 现场操作

采用探地雷达技术对隧道衬砌进行检测的现场操作要点如下：

（1）现场操作人员保证雷达天线密贴二衬表面行进，确保测距轮保持转动；

（2）现场操作人员密切配合，确保天线实际检测位置与标记线位置相符；

（3）检测天线移动时应保持匀速、稳定，考虑仪器扫描速度与实际条件，检测速度宜控制在3～5 km/h，如图8所示；

图8 探地雷达检测现场

（4）现场记录员要及时记录测线号、方向、标记间隔及天线类型等信息，随时记录现场产生电磁波干扰的物体（如电缆、铁架等）及其位置。

5.5 资料处理与检测结果

5.5.1 资料处理

探地雷达探测的所有数据会自动记录在计算机硬盘上，可回到室内使用计算机进行分析处理。资料的处理与解释分为2个阶段：一是进行探地雷达数据处理，如增益、滤波等，提高数据信噪比；二是从雷达图像上进行巡视，确定标志层与异常，分析异常处的相位特征、频率特征等参数，并采用专用软件对所确定的异常进行标注等。

5.5.2 检测结果

经过资料处理与解释，深圳地铁5号线兴留区间隧道衬砌探地雷达检测可总结如下：

（1）检测结果表明二次衬砌的平均厚度均大于设计厚度，基本满足要求；

（2）少数地段衬砌后方存在空洞异常，深度约0～10 cm，需进行适当处理；

（3）少数地段存在欠挖现象，欠挖厚度约0～5 cm，在隧道日常维护中应加以注意。

经过抽样验证，检测结果与实际情况相符。

6 结语

探地雷达是一种高科技无损检测技术，检测速度快、检测精度高，在地铁隧道的检测中发挥了重要作用，具有很大的发展潜力。探地雷达在地铁隧道质量检测中需要有一定的异常识别能力，只有掌握不同病害的异常特征，才能充分发挥探地雷达的技术优势，更好识别出地铁隧道衬砌的病害，为隧道养护提供数据基础。