樊甫勝,陳志文,楊正云
(1.成都理工大學 管理科學學院,四川成都 610059;2.中交第一航務工程局有限公司,天津 300461)
隧道仰拱GPR無損檢測實例分析
樊甫勝1,陳志文1,楊正云2
(1.成都理工大學 管理科學學院,四川成都 610059;2.中交第一航務工程局有限公司,天津 300461)
這里基于某鐵路隧道仰拱400MHz天線探地雷達的實際采集數據,采用Radan7軟件處理方法所檢測的缺陷結果,與施工單位及相關質量控制單位所組織的破檢驗證完全相符。通過對檢測缺陷展開全面分析與解釋,為隧道缺陷檢測提供了依據和方法,將其應用于該工區(qū)后續(xù)隧道施工和隧道缺陷的檢測處理與解釋,具有重要的現實指導意義。
探地雷達;無損檢測;隧道仰拱;數據處理
近年來,隨著我國高速鐵路以及高等級公路建設項目的迅猛增長,隧道襯砌質量無損檢測作為隧道施工過程中的一個重要的施工環(huán)節(jié),已經成為規(guī)范隧道施工、保證隧道施工質量的至關重要的手段。探地雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)方法以其經濟、無損、快速、直觀、抗干擾強、分辨率高、操作方便、可實現連續(xù)測量等特點,被廣泛應用于隧道襯砌質量檢測中,成為隧道襯砌質量無損檢測中最重要、最有效的手段之一[1]。隧道襯砌質量無損檢測內容主要包括二襯、初支和仰拱。仰拱相對于二次襯砌和初期支護來說,具有較厚及有混凝土澆筑成的仰拱填充。在仰拱檢測時,對天線的參數和解釋處理具有其獨特性。作者在本文主要研究的是對仰拱缺陷的檢測和缺陷的判斷。在實際的工程中,由于工作量大和工程進度的要求,使得某些里程段的仰拱在澆筑時存在填充不密實,脫空或者厚度不足的情況。這樣對仰拱檢測和缺陷的后期處理,以及對后期確保工程質量都具有重要意義。
探地雷達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界面的反射波。電磁波在介質中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形,將隨所通過介質的電性質(如介電常數εr)及幾何形態(tài)的變化而變化,其測試原理和基本組成如圖1所示。
作者根據接收到的回波時間、幅度和波形等信息,可判定地下介質的結構與埋藏體的位置與形態(tài)
式中 t為脈沖波走時(ns);h為目標深度(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)。
常見的介質為非磁介質,在探地雷達的頻率范圍內,一般有(σ/ωεr)1。
圖1 地質雷達探測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of GPR
式中 光速c=0.3m/ns;εr為介質相對介電常數。
當發(fā)射天線和接收天線相距很近時,檢測目標深度的計算公式為:h=(t/2)·v。
目前常用的時域地質雷達測試方法有剖面法、寬角法、環(huán)形法、多天線法等。作者在探測數據時采用剖面法,并結合多次覆蓋技術進行測試。
剖面法的測試結果可以用地質雷達時間剖面圖像表示,其橫坐標記錄了天線在地表(或襯砌面)的位置,縱坐標為反射波雙程走時,表示雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā),經過地下界面反射回到接收天線所需要的時間。這種記錄能夠準確描述測線下方地下各反射界面的形態(tài)。
某隧道地處青海省境內,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仰拱出現裂縫,為了確定引起裂縫的原因,作者應用GSSI探地雷達對這兩段進行檢測,檢測內容為仰拱回填密實度,內部缺陷狀況及規(guī)模大小。
(1)測線布置[5]。在對具體缺陷進行檢測時,首先應確定測區(qū),根據被測目標體的大小規(guī)模,一般采用網格布線。根據被測目標的水平尺度及要求的水平分辨率確定側線的間距,側線間距應小于或等于目標尺度與分辨率,以防漏測。由于本次檢測是對仰拱右邊測線發(fā)現裂縫的位置進行檢測,故對檢測的位置進行網格布線,具體測線布線位置如圖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深度、目標最小尺度,以及天線尺寸是否符合場地的要求等。在實際檢測的過程中,天線的中心頻率在滿足分辨率和場地條件時,應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,故本次檢測采用400MHz天線。
(3)時窗選擇。采樣時窗大小取決于最大探測深度hmax(m)與介質電磁波傳播速度v(m/ns)。由于hmax和v的變化,選擇采樣時窗應預留出30%以上的余量。采樣時窗w(ns)可以由w估算出來:w=1.3 hmax/v。根據該檢測段仰拱的最大厚度hmax及電磁波在混凝土中的傳播速度v,選取時窗w=45ns。
圖2 仰拱檢測測線布置示意圖Fig.2 The schematic diagram of tunnel invert testing line layout
(4)掃描樣點數(Samples/scan)。掃描樣點數指每道波形的采樣點數。一般的儀器有128、256 512、1 024、2 048五種采樣點供選擇。為了保證在一定頻率下每個波形至少有10個采樣點,掃描點數應滿足:掃描樣點數≥10時窗長度(ns=10-9×天線頻率(MHz=106),故本次檢測是掃描點數取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,掃描速率大時掃描線密集,可提高天線的移動速度。掃描速率確定后,根據探測目標體尺度決定天線的移動速度,估算移動速度的原則是要保證在最小的探測目標內,至少有20條掃描線:移動速度(cm/s)≤掃描速率(Scans/s)×最小探測目標尺度(cm/Scan),由此確定本次檢測掃描速率為70Scans/s。
(6)增益點數。增益點數的作用是使用掃描記錄線上不同時段有不同的放大倍數,使各時段的信號都能清晰的顯示,尤其是使用反射信號強度達到滿度的60%左右。本次檢測采用5個增益點。
(1)數據處理。數據處理的目的是壓制隨機的和規(guī)則的干擾波,最大限度地提高雷達剖面的信噪比,提取電磁回波各種有用參數,用來解釋不同介質的物理特征。數據處理的另一目的是將數據元素重置,以補償由于來自不同方向的反射迭加產生的空間畸變(如偏移處理等)。在實際處理中,可以根據所采集原始數據的好壞增加或者減少處理步驟。通過對現場已知厚度混凝土實際測量,計算出本隧道襯砌混凝土介電常數約為6.5,電磁波速度為0.12m/ns。數據處理可按圖3探地雷達數據處理一般流程進行。檢測發(fā)現的明顯缺陷雷達剖面圖如圖4所示。
圖3 探地雷達數據處理一般流程圖Fig.3 GPR data processing flow chart
(2)缺陷解釋。對雷達剖面圖像進行解釋的基礎是提取反射目標,只要被測介質中存在電性差異,可以在雷達剖面中找到相應的反射波,根據相鄰道上反射波的對比,把不同道上同一個反射波的相同相位“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,產生的反射波組往往有一組光滑平行的同相軸與之對應;由于雷達記錄的點距與介質的變化相位相比要小得多,因此相鄰記錄道上的同一個反射波組形態(tài)的主要特征會保持不變,其反射波組的波形、振幅、周期及包絡線形態(tài)有一定的特征。根據反射波組的特征,就可以在雷達圖像中提取反射層[5]。以c測線DK104+186橫向不密實缺陷圖為例進行分析,雷達圖像如圖5所示。
見圖5,對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:在離仰拱表面0cm~43cm的范圍內,反射波的振幅及相位基本相同;在43cm~125cm的范圍內,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,介質的介電常數發(fā)生了明顯變化;當距離超過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,帶狀繞射發(fā)育,出現很強的雜波,同相軸不連續(xù)。作者由此對其它缺陷圖做同樣的處理分析,得到結論:①f測線DK104+186.5-188.5:平均深度0.52m、面積1.12m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);②g測線DK104+188.5-186.5:平均深度0.52m、面積1.12m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);③c測線DK104+186橫向:平均深度0.43m、面積1.77m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);④d測線DK104+187橫向:平均深度0.46m、面積1.24m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);⑤p測線DK104+224-220.5:平均深度0.72m、面積1.4m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);⑥q測線DK104+220.5-224:平均深度為0.53m、面積1.75m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);⑦m測線DK104+222橫向:平均深度0.55m、面積1.75m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù);⑧n測線DK104+224橫向:平均深度0.58m、面積1.62m2的帶狀長條形分布范圍內繞射發(fā)育,出現強反射雜波,同相軸不連續(xù)。上述特征表明:局部范圍內混凝土填充不均勻,膠結密實度差。
綜上所述,隧道進口共計檢測完成86延米,檢測發(fā)現仰拱右側測線存在DKX+186.5-188.5和DKX+220.5-224不密實缺陷。其中,DKX+186.5-188.5缺陷:縱向長度2m,橫向長度2.3m,深度0.52m,水平面積4.6m;DKX+220.5-224缺陷:縱向長度3.5m,橫向長度2.5m,深度0.53m,水平面積8.75m。這里縱向即為沿隧道進向方向,橫向即為垂直于隧道進向方向。檢測結果如表1所示。
為驗證上述處理解釋成果,施工單位及相關質量控制單位對所檢測的缺陷區(qū)域組織了破檢驗證。其結果為:在DKX+186.5-188里程段長2.3m、寬2m的矩形范圍內做了三處鉆孔驗證,發(fā)現離仰拱表面0.52m~1.2m的范圍內出現蜂窩狀填充且有細小裂紋;在DKX+220.5-224里程段長3.5m、寬2.5m的矩形范圍內做了三處鉆孔驗證,發(fā)現離仰拱表面0.53m~1.28m的范圍內出現蜂窩狀填充且有細小裂紋見下頁表2。
表1 隧道仰拱缺陷統(tǒng)計表Tab.1 Statistical list of X tunnel invert defect
表2 破檢結果統(tǒng)計表Tab.2 Statistical list of destructive testing
仰拱檢測對探測深度有較高的要求,并且要有較高的分辨率,在用探地雷達400MHz的天線進行檢測時,采用Radan7軟件對采集數據進行處理。施工單位及相關質量控制單位通過對所檢測的缺陷組織破檢驗證,結果完全相符,證明數據采集與處理、解釋方法是正確、有效的。施工單位對存在缺陷的位置進行了注漿處理,有效地保證了隧道的質量。
作者在本文所述隧道缺陷檢測的依據和方法,已經應用到該工區(qū)后續(xù)隧道施工和隧道缺陷的檢測處理與解釋中,具有重要的現實指導意義。
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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,研究方向為數字優(yōu)化仿真技術應用。
2012-01-09改回日期:2012-02-23