梁 湛 梁煥周 江 林

(1. 國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心, 廣東 廣州 510300; 2. 自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510300; 3. 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州海事測(cè)繪中心, 廣東 廣州 510300)

0 引言

由于鄰近運(yùn)營(yíng)鐵路隧道施工,可能引起既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化[1],產(chǎn)生位移。若發(fā)生變形,可致使襯砌結(jié)構(gòu)位移過(guò)大,導(dǎo)致混凝土局部應(yīng)力過(guò)大,產(chǎn)生損傷,甚至掉塊。這類病害將會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)及行車安全性,因此必須在施工期和施工后一段時(shí)期內(nèi)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量,把新建工程引起的一系列隧道動(dòng)態(tài)變化信息及時(shí)反饋到業(yè)主及相關(guān)單位,用以評(píng)定該工程在施工期間的周邊運(yùn)營(yíng)鐵路的影響[2-3],并對(duì)可能發(fā)生的危及運(yùn)營(yíng)鐵路安全的隱患或事故及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào),使之能夠在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù),優(yōu)化和改進(jìn)施工方法,確保既有鐵路設(shè)備的安全[4]。為了監(jiān)測(cè)鐵路隧道周邊基坑開(kāi)挖對(duì)鐵路隧道的影響,工程上常采用測(cè)量技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位變形監(jiān)測(cè),獲取所測(cè)點(diǎn)位在監(jiān)測(cè)期內(nèi)的變形情況,但是無(wú)法獲得監(jiān)測(cè)期內(nèi)隧道內(nèi)部的變化。本文將探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道監(jiān)測(cè),對(duì)鐵路隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,獲得隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體的狀態(tài)和變化,通過(guò)研判和分析,獲取隧道的安全狀態(tài),為運(yùn)營(yíng)期間了解隧道提供數(shù)據(jù)支撐,為隧道的維護(hù)、技術(shù)改造決策提供更加科學(xué)的參考。

1 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,GPR)又稱地質(zhì)雷達(dá),是用頻率介于106～109Hz的無(wú)線電波來(lái)確定地下介質(zhì)分布的一種方法。利用探地雷達(dá)發(fā)射高頻脈沖電磁波,測(cè)試目標(biāo)體空間位置和分布。同時(shí),探地雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷進(jìn)行測(cè)試[5],因此探地雷達(dá)可用于檢測(cè)各種材料的組成,如巖石、泥土、礫石,以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等,可確定金屬或非金屬及其他地下埋件的位置。探地雷達(dá)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)增強(qiáng)的特性,可進(jìn)行連續(xù)透視掃描,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示二維黑白或彩色圖像[6-7]。探地雷達(dá)工作示意圖見(jiàn)圖1。由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征,再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理,形成全斷面的掃描圖,工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀,判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況[8]。探地雷達(dá)工作原理見(jiàn)圖2。

圖1 探地雷達(dá)工作示意圖

圖2 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)基本參數(shù)如下:

(1)電磁脈沖波旅行時(shí)間

(1)

式(1)中,z表示目標(biāo)體的埋深;x表示發(fā)射、接收天線的距離;v表示電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

(2)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

(2)

式(2)中,c表示電磁波在真空中的傳播速度;εr表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),μr表示介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

(3)電磁波的反射系數(shù)

在介質(zhì)傳播過(guò)程中,電磁波遇到相對(duì)介電常數(shù)明顯變化時(shí),電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象。主要與電磁波反射系數(shù)r有關(guān):

(3)

式(3)中,r表示界面電磁波反射系數(shù);ε1表示第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);ε2表示第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

(4)探地雷達(dá)記錄時(shí)間和勘查深度的關(guān)系

(4)

式(4)中,z表示勘查目標(biāo)體的深度;t表示雷達(dá)記錄時(shí)間。

2 隧道探測(cè)

2.1 參數(shù)設(shè)置

隧道監(jiān)測(cè)分為施工準(zhǔn)備期、施工過(guò)程及工后監(jiān)測(cè),隧道無(wú)損檢測(cè)需在施工前和施工后各進(jìn)行一次,主要監(jiān)測(cè)隧道襯砌變形、襯砌裂縫,以及隧道上方地表沉降等受跨越工程影響須監(jiān)測(cè)的相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)《鐵路工程物理勘探規(guī)程》(TB 10013—2004)的規(guī)定,隧道襯砌及病害測(cè)試時(shí)宜選用與測(cè)試精度要求相對(duì)應(yīng)的中、高頻天線,頻率范圍為400～900 MHz[9]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試精度和深度,選用MALA ProEx型探地雷達(dá)。由于需要直接接觸檢測(cè)部位,因此選用空氣耦合500 MHz屏蔽天線。不同頻率天線的測(cè)深能力不同,頻率高的分辨率會(huì)提高,但測(cè)試深度會(huì)變淺,反之,頻率低的分辨率低,測(cè)試深度深[10]。探地雷達(dá)其他測(cè)試參數(shù)設(shè)置如下:7 500 MHz采樣頻率,1 054采樣點(diǎn),500 MHz屏蔽天線,140 ns采集時(shí)窗,自動(dòng)疊加8次,縱向測(cè)試時(shí)采樣間隔為0.02 m,有效測(cè)試深度為7 m,距離觸發(fā)測(cè)試方式,測(cè)試精度和深度可滿足工程要求[11]。

2.2 檢測(cè)過(guò)程

(1)縱向布線采用連續(xù)測(cè)量方式,特殊地段或條件不允許時(shí),可采用點(diǎn)測(cè)方式,測(cè)量點(diǎn)距不宜大于200 mm,測(cè)線每5～10 m應(yīng)有里程標(biāo)記。

(2)環(huán)向測(cè)線采用連續(xù)方式檢測(cè);也可采用點(diǎn)測(cè)方式,每道測(cè)線不小于20個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(3)介質(zhì)常數(shù)標(biāo)定:在洞口、洞內(nèi)或避車洞位置使用雙天線直達(dá)波法測(cè)量。

(4)時(shí)窗長(zhǎng)度確定:根據(jù)探測(cè)深度和介質(zhì)速度估算時(shí)窗長(zhǎng)度,包括理論計(jì)算法、實(shí)用經(jīng)驗(yàn)法。對(duì)拱墻襯砌混凝土?xí)r窗長(zhǎng)度一般控制在30～60 ns;對(duì)仰拱襯砌混凝土?xí)r窗長(zhǎng)度一般控制在60～100 ns。

(5)采樣率或采樣間隔根據(jù)儀器性能和要求設(shè)置,某些型號(hào)儀器無(wú)須設(shè)置,而是由儀器自動(dòng)設(shè)置,或需設(shè)置檢測(cè)時(shí)域內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),襯砌厚度檢測(cè)時(shí)單道信號(hào)不宜小于512個(gè)采樣點(diǎn)。

(6)數(shù)據(jù)位數(shù)設(shè)置為8位或16位即可滿足精度要求,宜設(shè)置為16位。

(7)濾波器設(shè)置

垂直濾波器:①垂直低通:取2～3倍的中心(天線)頻率,如采用400 MHz天線,低通截止頻率宜為800 MHz。②高通截止頻率:如采用400 MHz天線,高通截止頻率宜為100 MHz,高通取1/6～1/4中心(天線)頻率。

水平濾波器:①水平光滑濾波:一般宜設(shè)為3(掃描線數(shù)量)。此值增加則光滑度增加,小目標(biāo)從記錄中被濾掉,如果是檢測(cè)鋼筋或管道,此值不應(yīng)大于5,若檢測(cè)淺表非常細(xì)小的目標(biāo)(如混凝土中的細(xì)鋼筋、電線、鐵絲),就不應(yīng)使用該濾波器,而將此值設(shè)為零。若尋找地基層位,此值宜適當(dāng)提高,但不得超過(guò)20。②水平背景去除濾波:數(shù)據(jù)采集時(shí),該濾波器一般設(shè)為0。

(8)數(shù)字疊加次數(shù)不宜過(guò)大,太大不僅探測(cè)運(yùn)行速率慢,而且抑制噪聲的效果也不太明顯,一般以4～32次為宜。

(9)探測(cè)掃描速率與車輛行駛速率(天線移動(dòng)速率)是相對(duì)應(yīng)的。探測(cè)掃描速率一般宜設(shè)置為50～100(掃描線/s),其對(duì)應(yīng)的手推行駛速率不宜大于5 km/h,不宜過(guò)快,以易于目標(biāo)識(shí)別、分析,在視覺(jué)上單位縱向長(zhǎng)度內(nèi)的圖像展布不宜過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。

(10)首波或直達(dá)波調(diào)試:分自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)試,也包含自動(dòng)調(diào)試找不到信號(hào)時(shí)的手動(dòng)調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)必須找到直達(dá)波而作為深度起點(diǎn)。

(11)顯示增益設(shè)置和調(diào)試:最大正負(fù)波形幅度宜占調(diào)試框?qū)挾鹊?0%～70%,避免反射信號(hào)微弱或飽和失真。如在彩色顯示方式下,數(shù)據(jù)采集時(shí)若能在屏幕上辨認(rèn)出實(shí)時(shí)顯示的較微弱的反射信號(hào),在后處理軟件中一般可通過(guò)增益放大使反射信號(hào)變得更清晰可分辨,更易于處理和異常判定。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

在隧道內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)脫空、空洞和不密實(shí)等現(xiàn)象,因此,上述現(xiàn)象是常見(jiàn)的檢查項(xiàng)目。根據(jù)探地雷達(dá)掃描隧道實(shí)測(cè)結(jié)果,總結(jié)出隧道中各種介質(zhì)特征下隧道典型的反射圖像特征,見(jiàn)表1。對(duì)探測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到隧道雷達(dá)反射掃描結(jié)果,圖4為部分區(qū)域雷達(dá)反射掃描圖像,x表示距離。以x=38 274 m為例,0 ns處為鋼筋,5～10 ns處為脫空,15～25 ns處為襯砌混凝土。

表1 隧道反射圖像典型特征

圖3中可見(jiàn)x=382 740 m處隧道表現(xiàn)為明顯的結(jié)果不密實(shí)、內(nèi)部產(chǎn)生脫空,圖中x=382 743～382 750區(qū)域隧道掃描結(jié)果顯示基本正常。根據(jù)雷達(dá)反射掃描結(jié)果,找到x=382 740 m處對(duì)應(yīng)的隧道位置,發(fā)現(xiàn)該處隧道底部表現(xiàn)為滲水,并有裂縫產(chǎn)生,可以認(rèn)為該處隧道脫空引起了滲水,也證明了探測(cè)雷達(dá)掃描的準(zhǔn)確性。

圖3 雷達(dá)反射掃描剖面圖

3 結(jié)束語(yǔ)

為了監(jiān)測(cè)鐵路隧道鄰近施工對(duì)隧道的影響,需要采用技術(shù)手段對(duì)隧道情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),探地雷達(dá)技術(shù)能夠了解隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,在檢測(cè)鐵路隧道襯砌質(zhì)方面具有較強(qiáng)的可行性,也是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量手段較好的補(bǔ)充。本文將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道監(jiān)測(cè),獲得了有益的結(jié)果,為相關(guān)工程應(yīng)用提供了參考。