講座之三：鐵路隧道襯砌質(zhì)量的無損檢測(cè)

講座之三：鐵路隧道襯砌質(zhì)量的無損檢測(cè)第1節(jié)隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)內(nèi)容與方法隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)包括：①隧道襯砌厚度；②隧道襯砌背后未回填的空區(qū)；③復(fù)合式襯砌中兩層襯砌間較大的空段；④施工時(shí)坍方位置及坍方的處理情況；⑤襯砌混凝土強(qiáng)度。有時(shí)還可檢測(cè)圍巖中地下水向隧道侵入的位置。襯砌混凝土質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，曾經(jīng)常采用電阻率法、瑞利面波波速法等來檢測(cè)前面的①-④項(xiàng)，近年來采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)混凝土質(zhì)量得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀它是目前世界上最先進(jìn)的地質(zhì)雷達(dá)之一。序號(hào)名稱單位數(shù)量1主機(jī)臺(tái)12400M天線套13傳輸電纜套14270M天線套15軟件套1SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)基本配置第2節(jié)地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)原理地質(zhì)雷達(dá)法（GroundPenetratingRadar,簡(jiǎn)稱GPR）利用主頻106Hz～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發(fā)射器發(fā)至地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層的界面反射后返回地面，被雷達(dá)天線接收器所接收，通過對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯，探測(cè)隱蔽介質(zhì)的分布和特征。在隧道襯砌厚度的檢測(cè)中，主要涉及到媒質(zhì)有：混凝土、鋼筋、空氣、水和圍巖，其物性差異如下表常見物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)介電常數(shù)（相對(duì)值）電磁波速V（m/ns）空氣10.3水810.033花崗巖（干）50.15土（濕）150.077砂質(zhì)土（濕）250.06混凝土6.5～120.09～0.13鋼筋∞——從表中可以看出，隧道內(nèi)所涉及到的這幾種媒質(zhì)物性差異較大，會(huì)形成較強(qiáng)反射。比如當(dāng)襯砌內(nèi)有脫空或鋼筋（鋼拱架）都會(huì)產(chǎn)生十分強(qiáng)烈的反射。

物性的明顯差異正是地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量和鋼筋數(shù)量的前提條件。1、計(jì)算襯砌厚度：地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線向隧道壁發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，遇到相對(duì)介電常數(shù)差異較大的介質(zhì)（如空洞、襯砌界面等）就會(huì)產(chǎn)生反射波，接收天線接收反射回來的電磁波并記錄其反射時(shí)間。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的電磁波速（v）和雙程旅行時(shí)間（t）可以計(jì)算襯砌厚度。2、發(fā)現(xiàn)襯砌缺陷（初期支護(hù)背后回填不密實(shí)，初襯與二襯之間有空隙）：當(dāng)天線沿隧道壁移動(dòng)時(shí)就能得到襯砌內(nèi)部電磁波走時(shí)圖像（見下圖）。電磁波由空氣進(jìn)入二襯的混凝土層，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射；同樣，當(dāng)電磁波由二襯傳播至初襯繼而由初襯傳播到巖層時(shí)，如果二襯和初襯接合不良，或存在空隙，亦會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)剖面相位和幅度發(fā)生變化，由此可確定襯砌厚度和發(fā)現(xiàn)施工缺陷。3、確定鋼筋分布（鋼筋，鋼格柵，鋼筋網(wǎng)等）：電磁波遇到以傳導(dǎo)電流為主的介質(zhì)，比如襯砌中存在的鋼筋，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射，在雷達(dá)剖面上呈現(xiàn)明顯異常，以此可確定鋼筋分布情況。第3節(jié)檢測(cè)方法1、測(cè)線布置對(duì)于雙線隧道，按照《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程》(TB10223－2004)，需在隧道中共布置7條測(cè)線，其中拱頂位置一條，左右拱腰、左右邊墻各一條及仰拱兩條。其中左右拱腰測(cè)線在兩邊起拱線以上1m左右，左右邊墻測(cè)線在兩邊水溝蓋板以上1.5m左右，仰拱測(cè)線布置為左右線路中心線（線路中心處，單線一條，雙線兩條）。左邊墻測(cè)線左拱腰測(cè)線右拱腰測(cè)線右邊墻測(cè)線左仰拱測(cè)線拱頂測(cè)線右仰拱測(cè)線2、介質(zhì)參數(shù)標(biāo)定檢測(cè)前對(duì)襯砌混凝土的介電常數(shù)或電磁波速做現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，對(duì)隧道長(zhǎng)度小于3km的隧道，取一處進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)檢不少于3次，取平均值為該隧道的介電常數(shù)或電磁波速。當(dāng)隧道長(zhǎng)度大于3km，應(yīng)適當(dāng)增加標(biāo)定點(diǎn)數(shù)。標(biāo)定采用以下方法的其中一種：（1）在已知厚度部位或材料與隧道相同的其他預(yù)制件上測(cè)量；（2）在洞口或洞內(nèi)避車洞處使用雙天線直達(dá)波法測(cè)量；、（3）鉆孔實(shí)測(cè)。求取參數(shù)應(yīng)具備兩點(diǎn)：①標(biāo)定目標(biāo)體的厚度一般不小于15cm，且厚度已知；②標(biāo)定記錄中界面反射信號(hào)應(yīng)清晰、準(zhǔn)確。標(biāo)定結(jié)果按下式計(jì)算：式中：—相對(duì)介電常數(shù)；v—電磁波速（m/s）；t—雙程旅行時(shí)間（ns）；d—標(biāo)定目標(biāo)體厚度或距離（m）。3、工作步驟（1）在卡車車廂上或鐵路平板車上用鋼管搭架并鋪木板制成工作平臺(tái)。（2）檢查主機(jī)、天線以及運(yùn)行設(shè)備，使之均處于正常狀態(tài)。（3）檢測(cè)：檢測(cè)時(shí)，將發(fā)射和接收天線與隧道襯砌表面密貼，沿測(cè)線以5km/h左右的速度滑動(dòng)，由雷達(dá)儀主機(jī)高速發(fā)射雷達(dá)脈沖，進(jìn)行快速連續(xù)采集。為保證點(diǎn)位的準(zhǔn)確，在隧道壁上每5m或10m作一標(biāo)志，標(biāo)上里程。當(dāng)天線對(duì)齊某一標(biāo)記時(shí)，由儀器操作員向儀器輸入信號(hào)，在雷達(dá)記錄中每5m或10m作一里程標(biāo)記。內(nèi)業(yè)整理資料時(shí)，根據(jù)標(biāo)記和記錄的首、末標(biāo)及工作中間核查的里程，在雷達(dá)的時(shí)間剖面圖上標(biāo)明里程。第4節(jié)地質(zhì)雷達(dá)的資料處理與解釋

1、資料處理和編錄整理以及設(shè)計(jì)資料的匯集現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)要經(jīng)過濾波、去噪、均衡等處理，打印成時(shí)間剖面圖。為了使圖紙的計(jì)算與實(shí)際里程相符，必須在圖紙上標(biāo)注里程及5或10m的間隔標(biāo)記，并要將一些特殊情況，如電氣化線路隧道中的錨節(jié)點(diǎn)位置、隧道中的變截面位置、燈或通風(fēng)機(jī)位置等標(biāo)于圖上。對(duì)隧道襯砌質(zhì)量作檢測(cè)和評(píng)價(jià)，還必須掌握該隧道的設(shè)計(jì)情況，如圍巖分類、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法和步驟等，特別是長(zhǎng)隧道，地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)變化多，有時(shí)還由不同單位分段施工，掌握這些資料，對(duì)探查資料判釋和隧道質(zhì)量評(píng)價(jià)很有必要。2、數(shù)椐處理步驟：

數(shù)據(jù)處理與解釋程圖3、資料的分析判別（1）二襯砌界面的判識(shí)在探地雷達(dá)圖像的上部，一般振幅較強(qiáng)，同軸同相比較連續(xù)的第一組波形為襯砌界面反射信號(hào)。界面判識(shí)后輸入正常的介電常數(shù)值，即可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出襯砌厚度值，厚度的計(jì)算公式為：（2）鋼拱架位置及判識(shí)在地質(zhì)雷達(dá)圖像中，電磁波遇到鋼筋時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的反射，反射波的位置為鋼筋距測(cè)試面的距離（背水面保護(hù)層厚度）；通過濾波處理，確定各里程段鋼筋拱架分布情況及背水面保護(hù)層厚度。（3）襯砌混凝土缺陷及位置判識(shí)（空洞和襯砌不密實(shí)）由于襯砌混凝土與空氣的相對(duì)介電常數(shù)的差異較大，所以探地雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為振幅較強(qiáng)的界面反射信號(hào)（多次波）?？斩吹拿黠@特征就是有強(qiáng)烈的多次反射，波從相對(duì)介電常數(shù)大的物質(zhì)（C20混凝土為8左右）進(jìn)入相對(duì)介電常數(shù)小的物質(zhì)（空氣為1）中時(shí)，根據(jù)波動(dòng)原理，在上界面處會(huì)先疊加為負(fù)波，可在雷達(dá)圖像中準(zhǔn)確拾取界面反射的雙程旅時(shí)，根據(jù)公式求得缺陷的位置；襯砌不密實(shí)可能是由于混凝土離析振搗造成的，從波形特征與空洞的反射相似，但反射很弱；混凝土中有鋼筋時(shí)也會(huì)產(chǎn)生反射，波從相對(duì)介電常數(shù)小的物質(zhì)（C20混凝土為8左右）進(jìn)入相對(duì)介電常數(shù)大的物質(zhì)（鋼筋為∞）中時(shí)，根據(jù)波動(dòng)原理，在上界面處會(huì)先疊加為正波。對(duì)于復(fù)合襯砌隧道,當(dāng)?shù)谝淮我r砌與第二次襯砌之間存在空隙時(shí),界面上讀取的厚度值為隧道的二次襯砌厚度，若二者密貼良好，則為一、二次襯砌合值；對(duì)于非復(fù)合襯砌隧道,該界面上讀取的厚度值即為隧道的襯砌厚度值。第5節(jié)雷達(dá)探查的典型圖象1、襯砌界線混凝土襯砌、噴射混凝土與圍巖（或其間空區(qū)中的空氣）有明顯的介電常數(shù)差，因此在時(shí)間剖面圖上，襯砌底面和巖石之間有明顯的界線。雷達(dá)發(fā)射的直達(dá)波延續(xù)4個(gè)周期以上，0～12ns左右的目標(biāo)物的反射波均與它相疊。雷達(dá)的直達(dá)波呈現(xiàn)幾條平直的水平同相軸的圖像，而圍巖開挖總有或大或小的不平，故襯砌底界，即它與圍巖的分界面的反射波同相軸一般為有起伏的非直線圖像，這是很易辨認(rèn)的。噴射混凝土與模筑襯砌介電常數(shù)有差別，但不是很大，它們之間若接觸很好或粘結(jié)，則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。如果噴射混凝土中有鋼質(zhì)拱架和鋼筋網(wǎng)，則由于它們可強(qiáng)烈地反射雷達(dá)波，故可看到連續(xù)的綿延的反射圖像。2、拱架與鋼筋網(wǎng)在地質(zhì)雷達(dá)圖像中，電磁波遇到鋼筋時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的反射，反射波的位置為鋼筋距測(cè)試面的距離（背水面保護(hù)層厚度）；通過濾波處理，確定各里程段鋼筋拱架分布情況及背水面保護(hù)層厚度。圖中由于鋼筋的界電常數(shù)為∞，圖中可見連續(xù)的小雙曲線反射，這是鋼筋網(wǎng)的代表性反射圖。混凝土中布置的鋼筋網(wǎng)典型的格柵鋼架反射圖圖中兩標(biāo)距之間為10米，每10米的鋼架為9榀達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3、襯砌混凝土缺陷混凝土內(nèi)部缺陷包括欠密實(shí)、脫空等現(xiàn)象，欠密實(shí)其表現(xiàn)為波形雜亂且不連續(xù)的反射波形。復(fù)合襯砌與圍巖間的不密實(shí)帶

某隧道仰拱部位混凝土中出現(xiàn)的不密實(shí)區(qū)第6節(jié)提高檢測(cè)精度的措施

1、詳細(xì)了解檢測(cè)區(qū)間物理狀態(tài)襯砌層物理狀態(tài)的變化直接影響到雷達(dá)波的變化，影響因素主要是含水量的變化、檢測(cè)面平整度、襯砌層砼材料配比變化、襯砌層結(jié)構(gòu)變化。隧道檢測(cè)有許多條測(cè)線，分若干次檢測(cè)，每條檢測(cè)的襯砌層物理狀態(tài)變化情況并不完全一致，這就需要較為詳細(xì)地了解設(shè)計(jì)資料、隧道的施工記錄，同時(shí)在檢測(cè)過程中還要做好外業(yè)記錄(如滲水、平整度等)。只有這樣才能根據(jù)客觀情況，有針對(duì)性地對(duì)地質(zhì)雷達(dá)資料進(jìn)行合理的分析。

2、合理布置取芯點(diǎn)位影響檢測(cè)精度的主要問題是標(biāo)定的地質(zhì)雷達(dá)的電磁波速度，根本問題是不同區(qū)間介質(zhì)物理狀態(tài)的變化，實(shí)質(zhì)問題是介電常數(shù)的變化。當(dāng)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道檢測(cè)時(shí)，合理布置用于標(biāo)定雷達(dá)波速的取芯點(diǎn)位，對(duì)襯砌層在不同物理狀態(tài)下的雷達(dá)波速進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，并分析雷達(dá)波速的變化規(guī)律，有效控制因雷達(dá)波速的誤差帶來的探測(cè)偏差或較大誤差