■ 池毓偉(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司,福州 350004)
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探地雷達(dá)技術(shù)在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用
■池毓偉
(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司,福州350004)
摘要簡要地介紹了探地雷達(dá)技術(shù)檢測原理及組成,數(shù)據(jù)采集方式與測量參數(shù)的選擇和圖像特殊處理方式,總結(jié)了探地雷達(dá)隧道襯砌質(zhì)量一般信號判讀標(biāo)準(zhǔn);用試驗(yàn)?zāi)P秃腿⌒痉ㄟM(jìn)行驗(yàn)證,檢測結(jié)果表明探地雷達(dá)數(shù)據(jù)精度高,誤差小。針對福建地區(qū)采用探地雷達(dá)技術(shù)檢測公路隧道襯砌質(zhì)量的典型雷達(dá)圖像進(jìn)行了分析,為工程質(zhì)量評價提供了可靠的數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞探地雷達(dá)公路隧道襯砌質(zhì)量檢測
近年來,隨著高速公路建設(shè)規(guī)模日益增大和國省道改造升級日漸增多,新建公路隧道的規(guī)模、數(shù)量也逐年遞增。隧道工程作為隱蔽性工程,由于在施工過程受各種不利因素的影響,容易導(dǎo)致隧道襯砌質(zhì)量缺陷。而以往檢測人員在檢測隧道襯砌質(zhì)量時,通常使用穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法和鉆孔取芯法,但這三種方法都存在不同程度的弊端,也難以真實(shí)反映隧道的施工質(zhì)量。穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法工作效率低,無法連續(xù)測量;鉆孔取芯法工作量大、效率低下、代表性低,更有甚者,容易對防水層造成破壞,給日后運(yùn)營帶來了安全隱患。探地雷達(dá)技術(shù)作為現(xiàn)代地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域最新成果的結(jié)晶,不僅可以連續(xù)測量且具有不破壞性,是一種行之有效的無損檢測技術(shù)。本文結(jié)合自己的工程實(shí)踐,就探地雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹。
2.1探地雷達(dá)檢測原理
探地雷達(dá)方法屬于電磁探測法,其主要原理是利用探地雷達(dá)發(fā)射天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波,電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播過程中,當(dāng)遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)界面時,就會發(fā)生反射和透射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大,反射的電磁波能量也越大;反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后,由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動特征,再通過信號技術(shù)處理,形成全斷面的掃描圖像,通過對雷達(dá)圖像的判讀,判斷出地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性和幾何形態(tài)等情況。從而達(dá)到對隱蔽目標(biāo)體的探測。探地雷達(dá)檢測原理如圖1所示。
探地雷達(dá)工作時,由發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波,經(jīng)目標(biāo)體發(fā)射后返回地面,被接收天線所接收
電磁波行程時間(t)計(jì)算式為:
式中:Z——目標(biāo)體的厚度;x——發(fā)射、接收天線的距;V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。
電磁波在介質(zhì)中傳播速度隨著介質(zhì)變化而變化。其傳播速度(V):
式中:C——電磁波在真空中的傳播速度;εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù),μr——介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。
圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖
電磁波在介質(zhì)傳播過程中,當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時,電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象,其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。界面電磁波反射系數(shù)(r):
式中:r——界面電磁波反射系數(shù);
ε1——第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù);
ε2——第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。
探測目標(biāo)體的厚度(Z)計(jì)算式:
式中:Z——目標(biāo)體的厚度;
t——電磁波行程時間。
2.2探地雷達(dá)的組成
探地雷達(dá)目前運(yùn)用到工程領(lǐng)域的種類很多,然而其組成基本一樣,主要包括控制單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、信號處理機(jī)、成像顯示設(shè)備和電源等。
為提高檢測結(jié)果的真實(shí)性和可靠性,數(shù)據(jù)采集方式與參數(shù)選擇是隧道工程質(zhì)量檢測重要關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。目前數(shù)據(jù)采集有多種方式,考慮到隧道襯砌質(zhì)量檢測的特殊性,一般常采用點(diǎn)采集的方式,這種方式利用測量輪觸發(fā)天線控制開關(guān),可自動、均勻、連續(xù)、高效地記錄數(shù)據(jù)。在進(jìn)行探測之前,除了需要確定合理的測量方法外,探測時根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,應(yīng)正確選擇測量參數(shù),主要包括天線頻率、點(diǎn)距、時窗、采樣間隔、疊加次數(shù)、垂直分辨率和水平分辨率。
在檢測過程中,由于各種因素的影響,野外采集的原始數(shù)據(jù)文件采用常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法外,為提高雷達(dá)圖像分析的準(zhǔn)確性,對采集得到的雷達(dá)圖像進(jìn)行一些特殊處理。主要有以下方面:(1)水平及垂直高通濾波主要消除平直橫跳的系統(tǒng)噪音;(2)水平及垂直低通濾波主要消除高頻噪音;(3)反褶積濾波主要是增強(qiáng)垂直方向分辨率;(4)偏移濾波主要是消除繞射波和傾斜干擾波;(5)空間域?yàn)V波主要是增強(qiáng)傾斜界面信號。
根據(jù)探測目標(biāo)體不同所形成的信號具有顯著的特征,通過大量的實(shí)踐和總結(jié),檢測公路隧道襯砌質(zhì)量一般信號判讀如下:
(1)密實(shí):襯砌界面反射信號幅度較弱,甚至沒有界面反射信號。
(2)不密實(shí):襯砌界面反射信號較強(qiáng)烈,同相軸錯斷,波形雜亂,一般區(qū)域化分布。
(3)空洞:襯砌界面反射信號強(qiáng),呈典型的孤立體相位特征,通常不規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征,三振相明顯,在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號,兩組信號時程差較大。
(4)脫空:襯砌界面反射信號強(qiáng),呈帶狀長條形或三角形分布,三振相明顯,通常有多次反射信號。
(5)鋼筋網(wǎng):連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號。
(6)鋼拱架:單個的月牙形強(qiáng)反射信號。
為確保探地雷達(dá)技術(shù)檢測結(jié)果真實(shí)性和科學(xué)性,在隧道現(xiàn)場,制作隧道襯砌預(yù)設(shè)已知大小的空洞、脫空層、鋼筋網(wǎng)等試驗(yàn)?zāi)P?,用探地雷達(dá)技術(shù)檢測進(jìn)行比對,通過數(shù)據(jù)分析,表明數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,結(jié)果可靠。并對福建地區(qū)選定5條高速公路不同隧道二次襯砌厚度進(jìn)行檢測,同時鉆孔取芯檢測二次襯砌厚度,如表1所示,偏差率最大為1.0%,最小為0.5%,精度滿足要求。
表1 探地雷達(dá)檢測隧道二襯厚度與鉆孔取芯結(jié)果對比
說明:用美國勞雷公司(SIR-30E)對隧道二襯厚度進(jìn)行檢測。
襯砌是隧道的主要承載結(jié)構(gòu),也是隧道防水的重要設(shè)施,其施工質(zhì)量對隧道長期穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用,因此,對隧道襯砌質(zhì)量檢測顯得十分重要。以下為福建某高速公路項(xiàng)目多座隧道襯砌質(zhì)量用美國SIR-30E并配置(100MHz~1500MHz)天線的探地雷達(dá)檢測工程實(shí)例。
7.1檢測內(nèi)容
利用探地雷達(dá)技術(shù)檢測公路隧道襯砌的內(nèi)容主要包括:隧道襯砌厚度;襯砌混凝土的密實(shí)程度;襯砌背后脫空層及空洞;施工時塌方位置及處理情況;鋼筋網(wǎng)、鋼拱架分布情況等。
7.2檢測方法
探地雷達(dá)用于隧道襯砌質(zhì)量無損檢測,對單洞雙車道隧道檢測時布設(shè)沿隧道走向的3條縱向測線,多車道時測線相應(yīng)增加,分布在隧道的拱頂(B測線)、兩側(cè)拱腰(A、C測線),如圖2所示。采用連續(xù)測量的方式,為保證探地雷達(dá)時間剖面各測點(diǎn)位置與實(shí)際檢測里程相對應(yīng),在檢測時以測量輪跟蹤測量里程,并且在隧道邊墻每隔10m做一個里程標(biāo)記,以校正剖面上的里程樁號,檢測時,天線緊貼洞壁,保持勻速運(yùn)動,以免人為產(chǎn)生假異常。
7.3典型雷達(dá)圖像分析
7.3.1隧道襯砌厚度檢測
探地雷達(dá)檢測某隧道襯砌層厚度部分剖面圖,如圖3所示。圖中二次襯砌混凝土、初期支護(hù)及圍巖的界面較為清晰,其中二襯砌混凝土厚度在35cm~39cm之間,初期支護(hù)厚度約為12cm,而在樁號K89+968處,初期支護(hù)厚度約為0cm。
圖2 某高速公路雙車道探地雷達(dá)隧道測線布置圖
7.3.2隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)與鋼拱架檢測
探地雷達(dá)檢測某隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)部分剖面圖,如圖4所示。從圖像上可以清晰看出有規(guī)律的連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號,其中較多突起的頂部表示每根鋼筋所在的位置,可以判讀每根鋼筋的具體位置和鋼筋間距。
圖4 某隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)測試圖
探地雷達(dá)檢測某隧道鋼拱架部分剖面圖,如圖5所示。從雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)出單個的月牙形突起為鋼拱架反射信號,可以判讀每榀鋼拱架的具體位置和鋼拱架間距。
圖5 某隧道初期支護(hù)中鋼拱架測試圖
7.3.3隧道襯砌連續(xù)脫空
探地雷達(dá)檢測某隧道拱頂部分剖面圖,如圖6所示。從圖中可清楚地看出,初期支護(hù)與二襯之間的脫空,在水平樁號K4+541m~K4+558m處雷達(dá)波的波幅反向,波的發(fā)射強(qiáng)烈。脫空層的厚度約20cm,呈現(xiàn)出連續(xù)的脫空異常。
圖6 某隧道拱頂襯砌連續(xù)脫空測試圖
7.3.4襯砌與圍巖間三角形空洞
探地雷達(dá)檢測某隧道襯砌部分剖面圖,如圖7所示。從圖中可清楚地看出,隧道襯砌頂部出現(xiàn)了典型的三角形空洞。在樁號K0+472m~K0+476m形成了三角形空洞,該空洞離隧道表面最淺處埋深約20cm。
圖7 某隧道砌與圍巖間三角形空洞測試圖
7.3.5鋼拱架后部存在的空洞
探地雷達(dá)檢測某隧道初期支護(hù)部分剖面圖,如圖8所示。從圖像可清楚地看出在鋼拱架后部存在2處異常,其中在樁號K6+937--K6+939和K6+943--K6+946處為空洞異常,離隧道表層最淺處埋深約20cm。
探地雷達(dá)技術(shù)作為一種高效的無損檢測技術(shù),具有高效率、高精度、高分辨率、成果直觀且連續(xù)測量等特點(diǎn),探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于隧道襯砌質(zhì)量檢測為工程質(zhì)量評價提供了的可靠數(shù)據(jù),在隧道質(zhì)量檢測工作中顯示出其無可比擬的作用。但由于在檢測過程中會有很多的干擾因素存在,廣大檢測人員不斷研究和積累經(jīng)驗(yàn),正確識別干擾,提高對雷達(dá)圖像異常狀況的正確判斷。在不久的將來,探地雷達(dá)技術(shù)將會在公路建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
圖8 某隧道鋼拱架后部存在的空洞測試圖
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