基于地质雷达与激光扫描的隧道检测现状分析.pdf

投稿网址：http：/ 沙 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Changsha University of Science&Technology（Natural Science）Vol.20 No.3Jun.2023DOI：10.19951/ki.1672-9331.20220913002文章编号：1672-9331（2023）03-0102-16引用格式：于洪亮，李东彪，高玮，等.基于地质雷达与激光扫描的隧道检测现状分析 J.长沙理工大学学报（自然科学版），2023，20（3）：102-117.Citation：YU Hongliang，LI Dongbiao，GAO Wei，et al.Analysis of tunnel detection based on geological radar and laser scanning J.J ChangshaUniv Sci Tech（Nat Sci），2023，20（3）：102-117.基于地质雷达与激光扫描的隧道检测现状分析于洪亮1，李东彪1，高玮2，王森2，汪义伟2，葛双双2（1.中交南京交通工程管理有限公司，江苏 南京211800；2.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098）摘要：随着经济的快速发展，中国隧道建设也取得了显著进步，运营隧道的数量和规模都有了明显的增长，因此，运营期隧道的日常检测也逐渐成为大家所关注的问题。当前隧道病害检测方法主要分为无损检测和破损检测。破损检测影响隧道的使用寿命，所以目前的主要检测方法为无损检测。本文通过隧道无损检测相关文献的整理和分析，主要介绍应用比较广泛的地质雷达和比较有应用前景的三维激光扫描技术。首先，对地质雷达的发展和在国内外隧道工程中的应用情况进行介绍，分析地质雷达在实际工程应用中存在的问题，并提出相应建议；其次，介绍三维激光扫描技术的基本原理和常用设备，并对其在国内外一些隧道检测中的应用情况进行分析；最后，对两种检测技术在隧道检测过程中存在的问题进行总结，并提出合理建议。研究发现，采用单一技术进行隧道变形与衬砌表面情况检测，或只分析隧道衬砌厚度及衬砌背后的不密实情况，无法定量分析隧道在运营期的健康状况，无法实现对隧道经济、合理的养护。因此，多种隧道检测仪器联合使用将成为一种新的趋势，而地质雷达和三维激光扫描技术的联合使用可以内外兼顾，是隧道检测技术发展的一个方向。关键词：地质雷达；三维激光扫描；病害检测；无损检测；隧道检测中图分类号：TU91文献标志码：A0引言截至 2020 年底，我国投入使用的铁路隧道总长 19 630 km，全国公路隧道 21 316 处，总长21 999.3 万 m1-2，城 市 交 通 轨 道 隧 道 运 营 里 程7 969.7 km3，还有超过10 000 km的水工隧道以及大量的综合管廊4。可见，我国目前运营隧道规模庞大。因此，确保隧道的运营安全至关重要，快速检测运营隧道的病害已成为工程界关注的焦点。目前的检测方法主要可分为以下几类：目测法、超声波法、红外线检测法、微波湿度检测法、地质雷达法、激光扫描法等，这些方法主要以无损检测为主。自 铁路隧道衬砌质量无损检测规程（TB 102232004）颁布后，无损检测已成为现阶段检查运营隧道隐伏病害的一种有效手段。与以损坏隧道衬砌结构为代价的钻芯检测方式相比，无损检测技术以无损、快速、连续和高效等优势逐步代替钻芯检测技术，成为一种成熟的隧道质量检测技术，并得到广泛采用5。常用的隧道病害检测方法4，6-13见表1。由表1可知，常用的隧道无损检测方法所运用的手段主要包括波（电磁波、超声波、次声波）、能量辐射及视觉成像等。其中，用波检测结构内部病害的效果较好，而能量辐射和视觉成像能更直观地检测出结构表面的病害；地质雷达具有连续、无损、高效和高精度等优点，在隧道病害检测中应用广泛；机器视觉在隧道表观病害和隧道整体变形检测中优势独特，近几年从事机器视觉研究的收稿日期：2022-09-13；修回日期：2022-12-12；接受日期：2022-12-12基金项目：中交养护集团重大科技研发项目（27100020Y248）通信作者：高玮（1971）（ORCID：0000-0001-6468-805X），男，教授，主要从事岩石力学理论、岩土工程稳定性分析及智能大数据技术的工程应用等方面的研究。E-mail：投稿网址：http：/ 1Common tunnel disease detection methods方法目测法超声波法红外线检测法微波湿度检测法地质雷达法激光扫描法使用设备人眼脉冲发生器红外探测仪、数据处理工具湿度传感器测试探头、数据采集与分析装置地质雷达激光扫描仪原理单侧平面法红外辐射场变化水和混凝土相对介电常数差一个量级，在微波作用下可以明显区分当电波通过有电性差异的物体或地层时，产生反射信号发射激光，同时接收自然物表面反射的信号操作方法人工巡视依据裂缝分布情况，沿裂缝延伸方向布置测点布置测点及红外检测仪布置测点及温度传感器用天线发射装置向目标体发送电波借助一组可引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜，用高速、精确的激光测距仪测距检测对象隧道外观隧道初砌裂缝深度、内部缺陷隧道渗漏水隧道渗漏水初砌厚度、初砌与围岩及土的接触情况、隧道周边环境隧道变形、表面病害优点灵活穿透能力强，检测成本低设备携带方便，对水的存在比较敏感定向辐射装置的制造较容易，传输性能良好检测效率高，抗干扰能力强，成本较低，且不会影响隧道工程的构造逐点测量而非单点测量缺点只能检测出明显病害，对于初期病害难以察觉，依赖检测人员的专业素质检测裂隙深度需要知道裂隙位置，只能单点测量无法定量判断水量绕射能力差雷达参数的选取对检测结果影响大受软件处理能力的限制1地质雷达地质雷达是利用高频电磁波在不同介电常数下发生反射的原理来探测目标物界面并进行定位的一种地球物理探测方法，在一百多年的发展进程中其检测精度越来越高，已成为隧道无损检测的主要方法之一14。1.1地质雷达的基本原理探地雷达系统15主要由发射天线系统、接收天线系统、微机系统及控制单元系统 4 个部分组成，其系统机构如图1所示。地质雷达是检测隧道病害的重要工具。在隧道建设过程中或者建成以后，可利用地质雷达仪器对隧道衬砌结构进行无损检测，并通过定性、定量指标综合评价隧道工程质量，发现工程病害，及时采取补救措施以消除安全隐患，为隧道施工和正常运行提供安全保障。图1探地雷达系统机构图Fig.1Mechanism diagram of ground penetratingradar system地质雷达主要是通过观测介质中电磁波的变化来实现探测目的的，其工作原理可表述为：发射103投稿网址：http：/ 沙 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）2023年6月天线将高频率（106109 Hz或者更高）电磁波以宽频带、短脉冲的形式定向送入介质内部，经存在电性差异的介质界面或目标体反射后返回地面接收天线。当高频率电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁能量、工作频率和雷达波形都会随着介质的电特性及几何形态的变化而变化，因此可通过对反射波的采集、分析与处理及电磁波的双程走时来确定介质的分界面、介质内部异常体的位置与结构。存在电性差异是探地雷达技术应用的前提条件，隧道衬砌的层状结构特征及各层之间的介电常数和电导率存在明显差异，能很好地形成电磁波发射界面，这就是探地雷达技术能应用于隧道衬砌结构质量检测的重要原因16，其基本检测原理如图2所示。图2地质雷达技术对隧道衬砌厚度与空洞的检测原理Fig.2Detection principle of tunnel lining thickness and cavity by geological radar technology1.2地质雷达在隧道病害检测中的应用目前我国相应的检测手段仍然不完善，隧道工程质量仍存在诸多问题。地质雷达作为一种技术，成熟且具有诸多优势，能及时发现隧道工程中的病害，因此，在隧道病害检测中得到了广泛应用17。目前，地质雷达在实际工程中常用于检测衬砌厚度、空洞、配筋间距、衬砌质量等。衬砌厚度和空洞检测是地质雷达检测较常见的项目，例如：康富中等18-19采用地质雷达对处于高寒地区永久性冻土铁路上的风火山隧道和昆仑山隧道的衬砌厚度、衬砌背后空洞及衬砌背后回填物的密实度进行了检测，检测结果与隧道病害的实际情况基本相符；徐赞20通过对山西阳泉西环高速公路檀树岩隧道和邢汾高速公路黄岩子隧道进行检测，结合工程地质情况分析初砌厚度与初砌背后的脱空情况，对不密实的隧道围岩提出了注浆方案；贾雷21通过对六河高速公路上的隧道进行衬砌（初砌、二次衬砌）厚度及初砌背后的空洞进行检测，确定隧道健康等级，并给出了相应的整治措施；蔡维龙22使用地质雷达对摩天岭隧道的初砌厚度及其背后的空洞进行了检测；吕荔炫23对福州市金鸡山隧道的衬砌厚度及其背后的空洞进行了检测；张鹏等24使用地质雷达对运营中的老旧铁路隧道的衬砌厚度和其背后岩体的密实度进行了检测，并根据检测结果提出了“先拱后墙”的隧道施工方法。在衬砌配筋的检测方面，李柱25对使用新奥法施工的乌龙岭隧道进行了病害检测，通过地质雷达对隧道的二次衬砌厚度和配筋间距进行检测，并根据检测结果制定了该隧道的病害治理方案；陈涛26在奉溪高速公路隧道病害检测中通过地质雷达对衬砌和配筋进行了检测；姚成华27对隧道衬砌中存在的缺陷规律进行了归纳总结，并对配筋混凝土中的钢筋进行了检测；苏卿28对重庆某公路隧道衬砌混凝土在复合侵蚀性介质下的病害进行了检测和评估。在岩体内部情况检测方面，钟悦鹏29对采用长管棚注浆法实施预支护及复合衬砌的广东省某公路隧道进行了初砌结构检测，并使用地质雷达进行了初砌内部情况的检测；董茂干等30使用地质雷达对南京地铁3号线上滨江路站五塘村站之间的地下溶洞进行了勘测；陶陆31通过建立网络模型用地质雷达对隧道不同深度、不同宽度、不同内部填充物的山岭断层的特征进行了分类研究。在隧道漏水检测方面，刘振东32在济南绕城高速公路济南隧道的前期勘探中，使用地质雷达对隧道漏水区域进行了成因判断；冯国磊33对山西省某铁路隧道的底板隆起进行了成因调查，根据地质情况以及雷达图像得出结论：底板下方脱空导致地下水渗入，进而使膏溶性角砾岩产生膨胀，最终导致底板隆起；许献磊等34通过对地铁隧道管片脱空和渗水进行研究，使用地质雷达对厦门地铁2号线上湖滨中路站至育秀东路站之间的隧道进行了检测；邓普35通过车载型空气耦合地104投稿网址：http：/ 等37使用地质雷达对运营期大坝隧道的裂缝和渗漏水情况进行了检测，并分析了检测结果；ALANI等38使用地质雷达对英国肯特郡的梅德韦隧道进行了检测，并探测了浸入式接缝处隧道屋顶的结构细节；PREGO等39在隧道前期施工阶段进行地质雷达探测以检测衬砌的状态，并为结构的稳定性和支撑提供依据；KILIC等40使用地质雷达对大坝和水力发电站的隧道工程 进 行 了 灌 浆 不 完 整、空 隙 等 病 害 的 识 别；AROSIO等41使用地质雷达对隧道内部侵蚀状况进行探查，为隧道的修复工作提供了重要依据。地质雷达在部分运营隧道病害检测中的应用情况见表 2。地质雷达检测项目的占比如图 3所示。从图3可以看出，虽然地质雷达在检测衬砌配筋间距、衬砌背后岩体的密实情况、渗漏水情况、路面情况等方面都有所应用，但应用最多的还是对衬砌厚度、衬砌背后岩体的密实情况的检测，其次是对衬砌背后脱空的检测。综上所述，在隧道衬砌厚度及衬砌背后岩体密实情况的检测中，地质雷达因其良好的检测效果，已成为大多数隧道检测从业人员的首选方法。另外，检测设备以国外产品居多，国内检测设备较少；检测设备以手持型为主，移动检测设备和车辆检测设备较少。表2地质雷达在部分运营隧道病害检测中的应用情况Table 2Application of geological radar in disease detection of some operating tunnels检测