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        隧道仰拱GPR無損檢測(cè)實(shí)例分析

        2012-09-18 08:17:40樊甫勝陳志文楊正云
        物探化探計(jì)算技術(shù) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:同相軸仰拱探地

        樊甫勝,陳志文,楊正云

        (1.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院,四川成都 610059;2.中交第一航務(wù)工程局有限公司,天津 300461)

        隧道仰拱GPR無損檢測(cè)實(shí)例分析

        樊甫勝1,陳志文1,楊正云2

        (1.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院,四川成都 610059;2.中交第一航務(wù)工程局有限公司,天津 300461)

        這里基于某鐵路隧道仰拱400MHz天線探地雷達(dá)的實(shí)際采集數(shù)據(jù),采用Radan7軟件處理方法所檢測(cè)的缺陷結(jié)果,與施工單位及相關(guān)質(zhì)量控制單位所組織的破檢驗(yàn)證完全相符。通過對(duì)檢測(cè)缺陷展開全面分析與解釋,為隧道缺陷檢測(cè)提供了依據(jù)和方法,將其應(yīng)用于該工區(qū)后續(xù)隧道施工和隧道缺陷的檢測(cè)處理與解釋,具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

        探地雷達(dá);無損檢測(cè);隧道仰拱;數(shù)據(jù)處理

        0 前言

        近年來,隨著我國(guó)高速鐵路以及高等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目的迅猛增長(zhǎng),隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)作為隧道施工過程中的一個(gè)重要的施工環(huán)節(jié),已經(jīng)成為規(guī)范隧道施工、保證隧道施工質(zhì)量的至關(guān)重要的手段。探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡(jiǎn)稱GPR)方法以其經(jīng)濟(jì)、無損、快速、直觀、抗干擾強(qiáng)、分辨率高、操作方便、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中,成為隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)中最重要、最有效的手段之一[1]。隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)內(nèi)容主要包括二襯、初支和仰拱。仰拱相對(duì)于二次襯砌和初期支護(hù)來說,具有較厚及有混凝土澆筑成的仰拱填充。在仰拱檢測(cè)時(shí),對(duì)天線的參數(shù)和解釋處理具有其獨(dú)特性。作者在本文主要研究的是對(duì)仰拱缺陷的檢測(cè)和缺陷的判斷。在實(shí)際的工程中,由于工作量大和工程進(jìn)度的要求,使得某些里程段的仰拱在澆筑時(shí)存在填充不密實(shí),脫空或者厚度不足的情況。這樣對(duì)仰拱檢測(cè)和缺陷的后期處理,以及對(duì)后期確保工程質(zhì)量都具有重要意義。

        1 探測(cè)原理[2、3]

        探地雷達(dá)方法利用天線向地下發(fā)射電磁脈沖,并接收由地下不同介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形,將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)(如介電常數(shù)εr)及幾何形態(tài)的變化而變化,其測(cè)試原理和基本組成如圖1所示。

        作者根據(jù)接收到的回波時(shí)間、幅度和波形等信息,可判定地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與埋藏體的位置與形態(tài)

        式中 t為脈沖波走時(shí)(ns);h為目標(biāo)深度(m);x為發(fā)射天線與接收天線的距離(m);v為電磁波波速(m/ns)。

        常見的介質(zhì)為非磁介質(zhì),在探地雷達(dá)的頻率范圍內(nèi),一般有(σ/ωεr)1。

        圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of GPR

        式中 光速c=0.3m/ns;εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

        當(dāng)發(fā)射天線和接收天線相距很近時(shí),檢測(cè)目標(biāo)深度的計(jì)算公式為:h=(t/2)·v。

        目前常用的時(shí)域地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試方法有剖面法、寬角法、環(huán)形法、多天線法等。作者在探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)采用剖面法,并結(jié)合多次覆蓋技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。

        剖面法的測(cè)試結(jié)果可以用地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖像表示,其橫坐標(biāo)記錄了天線在地表(或襯砌面)的位置,縱坐標(biāo)為反射波雙程走時(shí),表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā),經(jīng)過地下界面反射回到接收天線所需要的時(shí)間。這種記錄能夠準(zhǔn)確描述測(cè)線下方地下各反射界面的形態(tài)。

        2 實(shí)例分析

        2.1 數(shù)據(jù)采集

        某隧道地處青海省境內(nèi),起訖里程:DKX+098-DKX+503,為雙線隧道。隧道里程DKX+186.5-188.5和DKX+220.5-224仰拱出現(xiàn)裂縫,為了確定引起裂縫的原因,作者應(yīng)用GSSI探地雷達(dá)對(duì)這兩段進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)內(nèi)容為仰拱回填密實(shí)度,內(nèi)部缺陷狀況及規(guī)模大小。

        (1)測(cè)線布置[5]。在對(duì)具體缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí),首先應(yīng)確定測(cè)區(qū),根據(jù)被測(cè)目標(biāo)體的大小規(guī)模,一般采用網(wǎng)格布線。根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的水平尺度及要求的水平分辨率確定側(cè)線的間距,側(cè)線間距應(yīng)小于或等于目標(biāo)尺度與分辨率,以防漏測(cè)。由于本次檢測(cè)是對(duì)仰拱右邊測(cè)線發(fā)現(xiàn)裂縫的位置進(jìn)行檢測(cè),故對(duì)檢測(cè)的位置進(jìn)行網(wǎng)格布線,具體測(cè)線布線位置如圖2所示。

        (2)天線中心頻率的確定。天線中心頻率的選擇需要兼顧目標(biāo)深度、目標(biāo)最小尺度,以及天線尺寸是否符合場(chǎng)地的要求等。在實(shí)際檢測(cè)的過程中,天線的中心頻率在滿足分辨率和場(chǎng)地條件時(shí),應(yīng)盡量采用中心頻率低的天線。由于該隧道仰拱的厚度在1.8m~2m左右,故本次檢測(cè)采用400MHz天線。

        (3)時(shí)窗選擇。采樣時(shí)窗大小取決于最大探測(cè)深度hmax(m)與介質(zhì)電磁波傳播速度v(m/ns)。由于hmax和v的變化,選擇采樣時(shí)窗應(yīng)預(yù)留出30%以上的余量。采樣時(shí)窗w(ns)可以由w估算出來:w=1.3 hmax/v。根據(jù)該檢測(cè)段仰拱的最大厚度hmax及電磁波在混凝土中的傳播速度v,選取時(shí)窗w=45ns。

        圖2 仰拱檢測(cè)測(cè)線布置示意圖Fig.2 The schematic diagram of tunnel invert testing line layout

        (4)掃描樣點(diǎn)數(shù)(Samples/scan)。掃描樣點(diǎn)數(shù)指每道波形的采樣點(diǎn)數(shù)。一般的儀器有128、256 512、1 024、2 048五種采樣點(diǎn)供選擇。為了保證在一定頻率下每個(gè)波形至少有10個(gè)采樣點(diǎn),掃描點(diǎn)數(shù)應(yīng)滿足:掃描樣點(diǎn)數(shù)≥10時(shí)窗長(zhǎng)度(ns=10-9×天線頻率(MHz=106),故本次檢測(cè)是掃描點(diǎn)數(shù)取1 024。

        (5)掃描速率(Scans/s)。掃描速率為每秒掃描采集的掃描線記錄數(shù),掃描速率大時(shí)掃描線密集,可提高天線的移動(dòng)速度。掃描速率確定后,根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體尺度決定天線的移動(dòng)速度,估算移動(dòng)速度的原則是要保證在最小的探測(cè)目標(biāo)內(nèi),至少有20條掃描線:移動(dòng)速度(cm/s)≤掃描速率(Scans/s)×最小探測(cè)目標(biāo)尺度(cm/Scan),由此確定本次檢測(cè)掃描速率為70Scans/s。

        (6)增益點(diǎn)數(shù)。增益點(diǎn)數(shù)的作用是使用掃描記錄線上不同時(shí)段有不同的放大倍數(shù),使各時(shí)段的信號(hào)都能清晰的顯示,尤其是使用反射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到滿度的60%左右。本次檢測(cè)采用5個(gè)增益點(diǎn)。

        2.2 數(shù)據(jù)處理與解釋

        (1)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的目的是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾波,最大限度地提高雷達(dá)剖面的信噪比,提取電磁回波各種有用參數(shù),用來解釋不同介質(zhì)的物理特征。數(shù)據(jù)處理的另一目的是將數(shù)據(jù)元素重置,以補(bǔ)償由于來自不同方向的反射迭加產(chǎn)生的空間畸變(如偏移處理等)。在實(shí)際處理中,可以根據(jù)所采集原始數(shù)據(jù)的好壞增加或者減少處理步驟。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已知厚度混凝土實(shí)際測(cè)量,計(jì)算出本隧道襯砌混凝土介電常數(shù)約為6.5,電磁波速度為0.12m/ns。數(shù)據(jù)處理可按圖3探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一般流程進(jìn)行。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的明顯缺陷雷達(dá)剖面圖如圖4所示。

        圖3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一般流程圖Fig.3 GPR data processing flow chart

        (2)缺陷解釋。對(duì)雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)是提取反射目標(biāo),只要被測(cè)介質(zhì)中存在電性差異,可以在雷達(dá)剖面中找到相應(yīng)的反射波,根據(jù)相鄰道上反射波的對(duì)比,把不同道上同一個(gè)反射波的相同相位“連接”起來形成“同相軸”。在均勻無異常區(qū)域:同一組波的相位特征,即波峰、波谷的位置基本不變或者變化很緩慢;在水平電性分界層,產(chǎn)生的反射波組往往有一組光滑平行的同相軸與之對(duì)應(yīng);由于雷達(dá)記錄的點(diǎn)距與介質(zhì)的變化相位相比要小得多,因此相鄰記錄道上的同一個(gè)反射波組形態(tài)的主要特征會(huì)保持不變,其反射波組的波形、振幅、周期及包絡(luò)線形態(tài)有一定的特征。根據(jù)反射波組的特征,就可以在雷達(dá)圖像中提取反射層[5]。以c測(cè)線DK104+186橫向不密實(shí)缺陷圖為例進(jìn)行分析,雷達(dá)圖像如圖5所示。

        見圖5,對(duì)比正常部位的反射波與不正常部位的反射波的波形圖,可以發(fā)現(xiàn):在離仰拱表面0cm~43cm的范圍內(nèi),反射波的振幅及相位基本相同;在43cm~125cm的范圍內(nèi),兩道反射波的相位發(fā)生反向,并且隨著距離的增加,不正常部位反射波的振幅是正常部位反射波振幅的2~3倍,高頻波豐富,這說明在該范圍內(nèi),介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生了明顯變化;當(dāng)距離超過125cm之后,兩道反射波的振幅及相位回歸正常。

        在43cm~125cm的范圍內(nèi),帶狀繞射發(fā)育,出現(xiàn)很強(qiáng)的雜波,同相軸不連續(xù)。作者由此對(duì)其它缺陷圖做同樣的處理分析,得到結(jié)論:①f測(cè)線DK104+186.5-188.5:平均深度0.52m、面積1.12m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);②g測(cè)線DK104+188.5-186.5:平均深度0.52m、面積1.12m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);③c測(cè)線DK104+186橫向:平均深度0.43m、面積1.77m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);④d測(cè)線DK104+187橫向:平均深度0.46m、面積1.24m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);⑤p測(cè)線DK104+224-220.5:平均深度0.72m、面積1.4m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);⑥q測(cè)線DK104+220.5-224:平均深度為0.53m、面積1.75m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);⑦m測(cè)線DK104+222橫向:平均深度0.55m、面積1.75m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù);⑧n測(cè)線DK104+224橫向:平均深度0.58m、面積1.62m2的帶狀長(zhǎng)條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育,出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波,同相軸不連續(xù)。上述特征表明:局部范圍內(nèi)混凝土填充不均勻,膠結(jié)密實(shí)度差。

        綜上所述,隧道進(jìn)口共計(jì)檢測(cè)完成86延米,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)仰拱右側(cè)測(cè)線存在DKX+186.5-188.5和DKX+220.5-224不密實(shí)缺陷。其中,DKX+186.5-188.5缺陷:縱向長(zhǎng)度2m,橫向長(zhǎng)度2.3m,深度0.52m,水平面積4.6m;DKX+220.5-224缺陷:縱向長(zhǎng)度3.5m,橫向長(zhǎng)度2.5m,深度0.53m,水平面積8.75m。這里縱向即為沿隧道進(jìn)向方向,橫向即為垂直于隧道進(jìn)向方向。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

        為驗(yàn)證上述處理解釋成果,施工單位及相關(guān)質(zhì)量控制單位對(duì)所檢測(cè)的缺陷區(qū)域組織了破檢驗(yàn)證。其結(jié)果為:在DKX+186.5-188里程段長(zhǎng)2.3m、寬2m的矩形范圍內(nèi)做了三處鉆孔驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)離仰拱表面0.52m~1.2m的范圍內(nèi)出現(xiàn)蜂窩狀填充且有細(xì)小裂紋;在DKX+220.5-224里程段長(zhǎng)3.5m、寬2.5m的矩形范圍內(nèi)做了三處鉆孔驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)離仰拱表面0.53m~1.28m的范圍內(nèi)出現(xiàn)蜂窩狀填充且有細(xì)小裂紋見下頁表2。

        表1 隧道仰拱缺陷統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical list of X tunnel invert defect

        表2 破檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical list of destructive testing

        3 結(jié)論

        仰拱檢測(cè)對(duì)探測(cè)深度有較高的要求,并且要有較高的分辨率,在用探地雷達(dá)400MHz的天線進(jìn)行檢測(cè)時(shí),采用Radan7軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。施工單位及相關(guān)質(zhì)量控制單位通過對(duì)所檢測(cè)的缺陷組織破檢驗(yàn)證,結(jié)果完全相符,證明數(shù)據(jù)采集與處理、解釋方法是正確、有效的。施工單位對(duì)存在缺陷的位置進(jìn)行了注漿處理,有效地保證了隧道的質(zhì)量。

        作者在本文所述隧道缺陷檢測(cè)的依據(jù)和方法,已經(jīng)應(yīng)用到該工區(qū)后續(xù)隧道施工和隧道缺陷的檢測(cè)處理與解釋中,具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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        book=39,ebook=39

        1001—1749(2012)03—0365—05

        P 631.4

        A

        10.3969/j.issn.1001-1749.2012.03.23

        樊甫勝(1984-),男,碩士,研究方向?yàn)閿?shù)字優(yōu)化仿真技術(shù)應(yīng)用。

        2012-01-09改回日期:2012-02-23

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