甬台温铁路全线开通运营已经超过10年时间，自2011年对甬台温全线进行隧道衬砌无损检测以来，发现了部分隧道存在渗水、二衬脱空、回填不密实等病害，给铁路运营带来安全隐患。在对甬台温隧道病害整治施工过程中，发现白岩山隧道K365+326~ K365+336段上作者简介：言利帮（1979－），男，工程师，计算机应用专业，长期从事铁路地球物理勘查工作。Email:921414217@qq.com
行拱腰衬砌表面存在环向细小裂缝，且局部防水板外露，衬砌厚度严重不足，拱顶左侧出现多处衬砌修饰（类似小补丁），现场衬砌探孔发现该处病害范围大，安全隐患极大。为此，需探明病害发育的位置、大小以及规模形态等。
检测既有线铁路衬砌厚度及病害发育程度，需要用可靠的无损检测技术和手段。在隧道检测方面，已经出台了较多的规程和技术手册[1-3]。近年来，铁路隧道路基、衬砌等质量检测中，地质雷达得到了广泛的应用。郭秀军等（2006）利用质雷达在隧道初衬质量检测中的研究[4]。廖立坚等（2008）
在铁路路基雷达探测数据处理方面进行了研究[5]。喻军等（2008）利用地质雷达进行隧道衬砌质量检测方面的研究[6]。龚彦峰等（2019）分析了铁路隧道检测技术现状及发展趋势。康富中等（2010）利用地质雷达在昆仑山隧道病害检测中进行了应用研究[7]。诸多专家学者进行的科学研究以及所发表的论文和文章为地质雷达在铁路隧道衬砌检测中的应用提供了丰富的理论基础及实践经验。，
2、地质雷达基本工作原理
2.1地质雷达基本原理
地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)，是一种对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。地质雷达勘探是以地下不同介质的介电常数差异为基础的一种物探方法。其工作原理就是利用高频电磁波(主频从数兆至上千兆赫)以宽频带短脉冲的形式，由地表通过发射天线向地下发射电磁波，由接收天线接收电磁波，当电磁波在地下旅行时，遇到具有电性差异的介质时(如空洞、分界面等)，电磁波反射回地面由接收天线接收，根据电磁波的旅行时间、波形特征可以确定地下介质(目标体)的空间位置、几何形态等。
图1 两层结构模型电磁波传播路径示意图
对隧道二衬进行检测时，将雷达天线贴在混凝土表面上拖动，高频脉冲电磁波由天线发射进入混凝土中，当电磁波遇到混凝土中的钢筋、各种脱空缺陷时，由于材料的介电常数的差异，电磁波会产生反射，并同时被天线所接收。反射体的位置可以由天线的定位系统给出。
对于脱空区域[8]，在雷达图上是通过反射系数的变换反映出来的，不同交界面间的反射系数R12为：
式中：
分别为交界面之间不同介质的介电常数。
当存在脱空区域时，无论是脱空区是含水或是含空气的时候，其空洞区域的介电常数与成型后的混凝土的介电常数差异很大，使得分界面处的反射波强度大大增加，从而可以从雷达图上判读出脱空区域的存在，及其深度和范围。
在实际工程应用中，地质雷达采集方式一般采用剖面法探测，将发射、接收天线以固定的分离距，沿测线方向以等步长同步移动，所有单道反射信息构成了雷达图像剖面，其中横坐标表示天线在水平方向的位置，纵坐标记录的是反射波的双程旅行时间。如图2所示，雷达图像剖面上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，以波形、灰阶或彩色表示，就构成雷达剖面图，同相轴或等灰度、等色线即可形象地表征出衬砌等结构反射面及其它特征。
图2 典型地质雷达剖面衬砌厚度成果图
通过对地质雷达剖面数据的进一步处理，进而利用地质、钻探资料或其它方法所获成果并结合对图像的频率、振幅、同相轴形状对图像进行分析解释，最终得到地质雷达探测成果图。电磁波通过发射天线T发射，在到达介电常数存在差异的界面反射回来，由接收天线R采集，探测界面的深度计算如图3所示：
图3 地质雷达探测深度示意图
脉冲波行程时间：
。当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确的t值(ns)，由上式求出反射体的深度(m)。式中x(m)值在剖面探测中是固定的：v值(m/ns)可以用宽角方式直接测量，也可以根据
近似算出(当介质的导电率很低时)，其中c为光速（c=0.3m/ns)，
为地下介质的相对介电常数值，后者可利用现成数据或测定获得。
2.2地质雷达的分辨率
探测的分辨率问题，是指对多个目的体的区分或小目的体的识别能力。如图4所示：
图4 地质雷达脉冲宽与分辨率的关系
概括地说，地质雷达的分辨弦决定于脉冲的宽度，即与脉冲频带的设计有关，频带越宽，时域脉冲越窄，它在射线方向上的时域空间分辨能力就越强，深度方向的最小分辨率公式[9]为：
其中λ为波长,f为频率,V电磁波传播速度,
为相对介电常数，C=0.3 m/ns。(V=f*λ，v与
相关)。根据上式，以美国GSSI公司生产的SIR20型地质雷400MHz、900MHz天线为例，纵向最小分辨率见下表所示：
3、地质雷达数据处理流程及解释原则
根据规范要求，为有利于异常的分析解释，对地质雷达记录进行了一些必要的资料处理，以提高信噪比。针对白岩山隧道围岩的情况，、对数据做常规的调零点、距离归一、滤波以及背景剔除等步骤，地质雷达处理流程如图5所示。
因混凝土结构层与背后的全、强风化围岩的介电常数相差较大，一般会在二者分界面形成一个强反射界面，但因背后围岩为Ⅴ级围岩，二衬采用钢筋网布置，钢筋会对雷达波形成更强的能量反射，可能会掩盖二衬的界面反射，故在有钢筋网的隧道衬砌检测，一般根据施工步骤，二衬厚度一般定在双层钢筋网后面，工字钢拱架前面的位置。
图5 地质雷达资料处理流程
4、白岩山隧道检测方案
4.1测线布置
K365+325～K365+345段病害区检测工作共布置27条测线，测量方向沿铁路方向，测线间距为1米，进行网状测量。如图6所示。
图6 地质雷达测线布置示意图
本次地质雷达无损检测使用美国GSSI公司生产的SIR20型地质雷达配套900MHz天线进行检测，具体详见图7。
图7 GSSI SIR20地质雷达设备及配件
4.3数据采集和参数设置
根据《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10013-2010）[2]第4.2.2条“介质参数标定可采用在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量”的规定，结合白岩山隧道设计资料以及现场取芯情况，取电磁波速度0.10～0.11cm/ns，隧道衬砌混凝土的相对介电常数εr取为8。
根据白岩山隧道设计资料，该段为Ⅴ级围岩，初支厚度28cm，二衬厚度为50cm，且二衬采用双层钢筋布置。结合实际标定的相对介电常数，900Mhz天线测量时窗选定为30ns，采样点数512点/道，扫描速率约100扫/秒，动态范围120dB，自动增益，采样点数512，按距离做标记，雷达天线与隧道二衬密贴进行数据采集。符合相关检测规范要求。
为了突出此段二衬厚度以及脱空问题，我们以衬砌质量较好的LP24以及位于重点病害区的LP7~LP10这五条剖面进行对比说明。
5.1 二衬质量较好剖面
图9为LP24剖面，从地质雷达成果图上可以看出，此段二衬厚度在0.3m到0.42m之间，二衬厚度相对均匀，二衬背后无明显脱空现象，其中K365+325~ K365+330段采用双层钢筋网布置，K365+337~ K365+345段采用单层钢筋网布置。检测结果表明此条测线二衬质量较好。
图9 LP24线地质雷达成果解释图
5.2 二衬存在病害剖面
图10为LP7剖面，位于外观检测后发现病害位置的下部边缘。从地质雷达成果图上可以看出，此段二衬厚度在0.13m到0.33m之间，二衬厚度薄厚不均，欠挖现象严重。K365+333~ K365+335段衬砌背后回填不均或存在局部脱空现象。其中K365+325~ K365+330段以及K365+337~ K365+345段采用双层钢筋网布置，其余测段采用单层钢筋网布置，在模板施工缝存在钢筋网缺失现象。
图10 LP7线地质雷达成果解释图
图11为LP8剖面，测线经过外观检测病害区。从地质雷达成果图上可以看出，此段二衬厚度在0.08m到0.36m之间，二衬厚度薄厚不均，欠挖现象严重。K365+332~ K365+334段衬砌背后回填不均或存在局部脱空现象。其中K365+336~ K365+345段采用双层钢筋网布置。其余测段采用单层钢筋网布置，在模板施工缝存在钢筋网缺失现象。图中初支钢拱架反应较明显。
图11 LP8线地质雷达成果解释图及推测钢拱架位置
图12为LP9剖面，测线经过外观检测病害区。从地质雷达成果图上可以看出，此段二衬厚度在0.05m到0.40m之间，二衬厚度薄厚不均，欠挖现象严重。K365+333~ K365+335段衬砌背后回填不均或存在局部脱空现象。其中K365+336~ K365+345段采用双层钢筋网布置。其余测段采用单层钢筋网布置，在模板施工缝存在钢筋网缺失现象。
图12 LP9线地质雷达成果解释图
图13为LP10剖面，测线经过外观检测病害区的上部边缘。从地质雷达成果图上可以看出，此段二衬厚度在0.05m到0.40m之间，二衬厚度薄厚不均，欠挖现象严重。其中K365+328~ K365+345段采用单层钢筋网布置，K365+325~ K365+328段无钢筋网，在模板施工缝存在钢筋网缺失现象。
图13 LP10线地质雷达成果解释图
5.3 病害区域划分
综合分析此段的27条测线，整个断面衬砌厚度约在0.04~0.45米之间，且大于0.3米的衬砌厚度主要集中在下行线边墙一侧；衬砌厚度不足0.2米的区域主要在LP2线到LP15线之间，大致位于K365+327～+330以及 K365+331～+336之间，为主要病害区域；衬砌厚度不足0.1米的区域主要在LP7线到LP11线之间，大致位于K365+332～+335之间，为重点病害区域。具体位置如图14所示。
图14 白岩山隧道地质雷达检测病害位置分布图
6、结论
铁路隧道施工建设中不可避免地存在衬砌厚度、衬砌背后回填密实度、二衬钢筋和钢架、裂纹等质量问题，给铁路交通带来了较大的隐患。根据本次地质雷达检测结果，得出如下结论：
（1）地质雷达可有效地探测二衬的厚度、衬砌背后回填密实度、二衬钢筋和钢架分布，且图像清晰，反映直观。为隧道衬砌整治提供参考依据；
（2）本次检测虽存在部分衬砌质量相对较好测线，但此段施工基本未达到设计标准；
（3）测线LP3~LP17衬砌厚度一般小于0.3米，在LP2~LP15线之间存在部分区域衬砌厚度小于0.2米，在在LP7~LP11线之间存在部分区域衬砌厚度小于0.1米；
（4）根据各测线的检测结果，划分了主要病害区和重点病害区，其中主要病害区面积约26m²，重点病害区面积约2.8m²。
参考文献
[1] 中华人民共和国行业标准编写组. TB10013-2004铁路工程物理勘探规程[S].北京:中国铁道出版社,2004.
[2] 中华人民共和国行业标准编写组. TB10223-2004 铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京:中国铁道出版社,2004.
[3] 铁道部运输局基础部. 铁路隧道检测技术手册[M]. 北京:中国铁道出版社,2007.
[4] 郭秀军,韩宇,孟庆生,郭建.铁路路基病害无损检测车载探地雷达系统研制及应用[J].中国铁道科学,2006(05).
[5] 廖立坚,杨新安,杜攀峰铁路路基雷达探测数据的处理.[J].中国铁道科学,2008(03) .
[6] 喻军,刘松玉,童立元.地质雷达在隧道初衬质量检测中的应用研究[J].岩土力学,2008(11).
[7] 李珊.公路隧道二衬厚度检测方法研究[M].华南理工大学,2017.
[8] 康富中,齐法琳,贺少辉,等. 地质雷达在昆仑山隧道病害检测中的应用[J].岩土力学与工程学报,2010(29).
[9] 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.