地质雷达在隧道衬砌工程.doc

地质雷达在隧道衬砌工程检测中的应用摘要针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题利用地质雷达技术进行隧道工程质量检测针对铁路隧道给出地质雷达在无损检测应用中的工作方法包括测线布置采集参数设定现场检测和后期资料处理解释通过对现场数据处理分析可以精确探测衬砌厚度确定钢筋及格栅钢架的分布位置及数量查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测实践证明技术方法是切实可行的前言地质雷达法以其无损性高效率高分辨率等优点正逐渐成为地下隐蔽工程调查的一种有力工具现已广泛应用于工程地质勘察建筑结构调查无损检测水文地质调查生态环境等众多领域随着交通事业的发展隧道的大量建设隧道病害也屡见不鲜应用地质雷达检测隧道衬砌在铁路公路部门中已经普遍展开应用地质雷达进行隧道衬砌检测已有很多研究检测内容主要包括隧道衬砌的厚度隧道衬砌背后回填物的密实状态隧道衬砌背后与围岩的脱空区域围岩的状态及其地下水向隧道侵入的通路等方面由于高频电磁波在介质中的高衰减性使得该方法的应用受到一定的限制地质雷达的检测效果不仅与地质雷达本身的技术还与较多影响因素相关因而使得实际工程中很多检测效果并没有达到预期的目的因此有必要分析影响应用地质雷达技术检测效果的主要因素解决地质雷达在隧道检测中的有关技术问题以便进一步提高检测水平地质雷达检测隧道衬砌目的隧道衬砌的质量检测主要包括隧道衬砌厚度隧道衬砌背后未回填的空区复合式衬砌中两层衬砌间较大的空段施工时坍方位置及坍方的处理情况衬砌混凝土回填密实度有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置近几年来采用探地雷达来做主要检测手段的越来越多这是由于与其它方法相比作为沿测线作扫描检测的探地雷达工作效率较高用探地雷达在全隧道喷锚初期支护完成后作一次全面检测也是必要的也应当进一步推广使用以提高喷射混凝土质量衬砌混凝土强度的现场检测目前常采用回弹仪法超声回弹法瑞利面波波速法等隧道衬砌质量的检测原理与探空或通讯雷达技术相类似探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象的只是它是从地面向地下发射电磁波来实现探测的故亦称之为地质雷达探地雷达是通过天线将脉冲雷达波发射入被测物体由接收天线接收不同物理性质物体的界面反射的雷达波据此进行探查实测时将探地雷达的发射和接收天线密贴于衬砌表面雷达波通过天线进入混凝土衬砌中遇到钢筋钢质拱架材质有差别的混凝土混凝土中间的不连续面混凝土与空气分界面混凝土与岩石分界面岩石中的裂面等产生反射接收天线接收到反射波测出反射波的入射反射双向走时就可计算出反射波走过的路程长度从而求出天线距反射面的距离图图雷达探测原理示意图式中为天线到反射面的距离为雷达波从发射至接收到反射波的走时用纳秒计秒为雷达波的行走速度可以用几何光学的概念来看待直线传播的雷达波的透射和反射其中为雷达波在空气中的传播速度为介电常数由波所通过的物质决定即物体中的雷达波速由其介电常数决定如空气的水的混凝土的在之间实际上雷达波之所以会在物体界面产生反射是因为界面两侧物质介电常数不同雷达天线可沿所测测线连续滑动所测的每个测点的时间曲线可以汇成时间剖面图像从一个测点的反射波时间曲线上去判别哪一个波反映什么是困难的但多个测点资料汇成的时间剖面各测点接收到的同一反射面的反射波汇成一定图像就能直观地反映出各种不同的反射面例如一个与测量平面近于平行的反射面如衬砌的外缘面在时间剖面上就是与时间基线近于平行的线衬砌与岩体交界面的起伏反映了衬砌厚薄变化表现为有起伏的图像钢质拱架的反射图像可能是一双曲线在彩色或黑白灰度的图上也可能呈现一个个圆点突入衬砌中的小块岩石衬砌背后的空洞两层衬砌间的空隙则多呈双曲线图像根据这些图像即可辩别不同的物体时间剖面图像是探地雷达成果的基本图件其横座标为测点位置纵座标为雷达波反射时可以用黑白波型图像波形图变面积黑白显示黑白灰度显示彩色色块显示等形式制图检测工作方法技术每座隧道沿隧道拱部轴向检测条测线拱顶左拱腰和右拱腰以及左边墙和右边墙可选用的雷达有多种根据需要探测的深度来选定天线的频率频率高的天线发射雷达波主频高分辨率高但探测深度浅频率低的天线发射雷达波主频低分辨率低但是探测深度大若选用的工作天线它的波长约为检测厚于的衬砌厚度有足够的分辨率并可达到左右的探测精度可探测约深适合检测复合衬砌和隧道仰拱为探测深于的坍方情况则需改用天线对于采用地质雷达发做隧道超前预报则适宜使用更低频率的天线雷达检测时需将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴沿测线滑动由雷达仪主机高速发射雷达脉冲进行快速连续采集为此需使用工作台架便于将天线举起密贴衬砌为保持工效天线沿测线以左右的速度滑动为此在卡车车厢上或铁路平板车上用钢管搭架并铺木板制成工作平台雷达每秒发射个脉冲若检测时天线的行走速度为则每米有测点个若天线的行走速度为则每米测线有测点个雷达时间剖面上各测点的位置要和隧道里程相联系为保证点位的准确在隧道壁上每或作一标志标上里程当天线对齐某一标记时由仪器操作员向仪器输入信号在雷达记录中每或作一里程标记内业整理资料时根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程在雷达的时间剖面图上标明里程图在在建隧道中用铺设防水板的全断面工作台架作检测用装载机牵引探地雷达的资料处理与解释资料处理和编录整理以及设计资料的汇集现场采集的数据要经过滤波去噪均衡等处理打印成时间剖面图时间剖面图是用来作判释和计算的基本图件需要精心制作的测线图纸连接起来约有长打印这些图纸的时间往往要长于现场采集的时间为了使图纸的计算与实际里程相符必须在图纸上标注里程及或的间隔标记并要将一些特殊情况如电气化线路隧道中的锚节点位置隧道中的变截面位置灯或通风机位置等标于图上对隧道衬砌质量作检测和评价还必须掌握该隧道的设计情况如围岩分类设计参数施工方法和步骤等特别是长隧道地质复杂设计参数变化多有时还由不同单位分段施工掌握这些资料对探查资料判释和隧道质量评价很有必要而熟悉和掌握这些资料和情况又需要检测人员下工夫去研究资料处理及判释处理步骤原始雷达波形记录图数据处理与解释流程图检测若采用波形黑白灰度显示形式打印雷达时间剖面图资料判释时应在计算机屏幕上调出彩色时间剖面图作对比从图件标记起每一步骤均需复核检查实际上从制成时间剖面图起需经历约道工序每道工序均需仔细地研究时间剖面图打印时间剖面图受打印机打印速度限制资料处理及判释与现场准备及采集时间比约为到介电常数的确定我检测中心检测介电常数的确定常采用反演法即由公式计算其中为光速双程旅时是已知厚度值通过对已知厚度的部位隧洞口标定确定适合隧道二衬混凝土的相对介电常数值资料的解释原则二衬砌界面的判识在探地雷达图像的上部一般振幅较强同轴同相比较连续的第一组波形为衬砌界面反射信号界面判识后输入正常的介电常数值即可由计算机自动计算出衬砌厚度值厚度的计算公式为钢拱架位置及判识在地质雷达图像中电磁波遇到钢筋时产生极强的反射反射波的位置为钢筋距测试面的距离背水面保护层厚度通过滤波处理确定各里程段钢筋拱架分布情况及背水面保护层厚度衬砌混凝土缺陷及位置判识由于衬砌混凝土与空气的相对介电常数的差异较大所以探地雷达图像中表现为振幅较强的界面反射信号多次波所以空洞的明显特征就是有强烈的多次反射波从相对介电常数大的物质混凝土为左右进入相对介电常数小的物质空气为中时根据波动原理在上界面处会先叠加为负波可在雷达图像中准确拾取界面反射的双程旅时根据公式求得缺陷的位置衬砌不密实可能是由于混凝土离析振捣造成的从波形特征与空洞的反射相似但反射很弱混凝土中有钢筋时也会产生反射波从相对介电常数小的物质混凝土为左右进入相对介电常数大的物质钢筋为中时根据波动原理在上界面处会先叠加为正波对于复合衬砌隧道当第一次衬砌与第二次衬砌之间存在空隙时界面上读取的厚度值为隧道的二次衬砌厚度若二者密贴良好则为一二次衬砌合值对于非复合衬砌隧道该界面上读取的厚度值即为隧道的衬砌厚度值雷达探查的典型图象衬砌界线混凝土衬砌喷射混凝土与围岩或其间空区中的空气有明显的介电常数差因此在时间剖面图上衬砌底面和岩石之间有明显的界线雷达发射的直达波延续个周期以上左右的目标物的反射波均与它相叠雷达的直达波呈现几条平直的水平同相轴的图像而围岩开挖总有或大或小的不平故衬砌底界即它与围岩的分界面的反射波同相轴一般为有起伏的非直线图像这是很易辨认的喷射混凝土与模筑衬砌介电常数有差别但不是很大它们之间若接触很好或粘结则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波如果喷射混凝土中有钢质拱架和钢筋网则由于它们可强烈地反射雷达波故可看到连续的绵延的反射图像图某隧道雷达剖面图图中由于混凝土与围岩的介电常数差异明显我们能很好的分辨不同介质的分界面拱架与钢筋网在地质雷达图像中电磁波遇到钢筋时产生极强的反射反射波的位置为钢筋距测试面的距离背水面保护层厚度通过滤波处理确定各里程段钢筋拱架分布情况及背水面保护层厚度图混凝土中布置的钢筋网图中由于钢筋的界电常数为图中可见连续的小双曲线反射这是钢筋网的代表性反射图图典型的格栅钢架反射图中两标距之间为米每米的钢架为榀达到了设计要求衬砌混凝土缺陷混凝土内部缺陷包括欠密实脱空等现象欠密实其表现为波形杂乱且不连续的反射波形图复合衬砌与围岩间的不密实带图某隧道仰拱部位混凝土中出现的不密实区图脱空图钢拱架后出现的空洞异常提高检测精度的措施详细了解检测区间物理状态衬砌层物理状态的变化直接影响到雷达波的变化影响因素主要是含水量的变化检测面平整度衬砌层砼材料配比变化衬砌层结构变化隧道检测有许多条测线分若干次检测每条检测的衬砌层物理状态变化情况并不完全一致这就需要较为详细地了解设计资料隧道的施工记录同时在检测过程中还要做好外业记录如渗水平整度等只有这样才能根据客观情况有针对性地对地质雷达资料进行合理的分析合理布置取芯点位影响检测精度的主要问题是标定的地质雷达的电磁波速度根本问题是不同区间介质物理状态的变化实质问题是介电常数的变化当使用地质雷达进行隧道检测时合理布置用于标定雷达波速的取芯点位对衬砌层在不同物理状态下的雷达波速进行分别统计并分析雷达波速的变化规律有效控制因雷达波速的误差带来的探测偏差或较大误差注意区分多次反射信号衬砌层厚度相对较薄且内部结构比较复杂衬砌层的面层和内部结构层会形成多次反射信号多次反射信号可能与内部结构界面形成的反射信号重叠或偏离当多次反射信号与雷达波同相轴存在连续性偏离的情况下容易对结构界面的厚度误判不平整的表面由于与天线不能紧密结合时也会形成反射界面同时会有若干个多次反射信号注意区分多次反射信号是避免地质雷达资料判读偏差的重要环节结语地质雷达检测隧道衬砌层是一种先进的无损检测技术与传统的人工取芯相比地质雷达检测采集的数据量大更加客观且经济快捷采用将地质雷达无损检测可以将施工中存在的各种质量隐患排除在建设施工阶段随着该项技术的推广从野外数据采集到后期的数据处理和解释水平不断地提高和完善地质雷达探测技术将会在隧道工程质量检测领域具有广阔的发展空间参考文献李大心探地雷达方法与应用北京地质出版社钟世航应用物探方法检测隧道衬砌质量见隧道及地下工程学会第七届年会暨西单车站工程学术讨论会论文集北京年月郭有劲地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用铁道工程学报铁路隧道衬砌质量无损检测规程