地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用摘要：意大利IDS公司生產(chǎn)的K2型便攜式高性能地質(zhì)雷達具有高性能、集數(shù)字化與模擬一體的優(yōu)點，該設(shè)備在隧道襯砌質(zhì)量檢測中被廣泛應(yīng)用。本文通過分析K2型地質(zhì)雷達的優(yōu)點及其在隧道中的應(yīng)用，分析影響雷達數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素及提高探測精度方法的介紹，結(jié)合現(xiàn)場試驗，對K2型地質(zhì)雷達在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用形成檢測技術(shù)。有助于檢測單位及施工單位精準(zhǔn)找到質(zhì)量缺陷的位置并對缺陷進行處理，提高工程實體質(zhì)量，對保障隧道運營安全具有重大意義。關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達；技術(shù)；質(zhì)量；應(yīng)用ApplicationofgroundpenetratingradarinqualityinspectionoftunnelliningLiFengBeijingMTRConstructionAdministrationCorporationABSTRACT:TheK2portablehigh-performanceGroundPenetratingRadar（GPR）withhighperformanceanddigitalandanalogintegrationproducedbyIDScompanyiswidelyusedintunneldetection.Inthispaper,throughtheanalysisoftheadvantagesofK2GPRanditsapplicationintunnels,thefactorsthataffecttheaccuracyofradardataandtheintroductionofimprovingthedetectionaccuracy,combinedwithfieldtests,thedetectiontechnologyofSIR4000GPRinrailwaytunnelliningqualitydetectionisformed.IthelpstodetectthelocationofqualitydefectsanddealwiththedefectsaccuratelyandimprovethequalityofEngineeringentities.Itisofgreatsignificancetoensurethesafetyoftunneloperation.KEYWORDS:GroundPenetratingRadar(GPR)；Technology；Quality；Application引言在高效快捷工作生活的今天，人們在城市的出行，更多的選擇了地鐵這種便捷的交通工具。而新建地鐵隧道施工過程中，工程地質(zhì)復(fù)雜，施工難度大，設(shè)計方案的先天不足，給施工留下質(zhì)量通病和安全隱患。特別是已建成運營的隧道，有不少隧道存在各種各樣的質(zhì)量缺陷，威脅著運營安全。地質(zhì)雷達法具有無損、高效、高分辨率，快速采集分析圖像等優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確找出隧道存在的質(zhì)量問題，便于及時對隱患進行處理，為交通建設(shè)帶來了技術(shù)支持。1K2型地質(zhì)雷達的優(yōu)點K2型地質(zhì)雷達在A/D轉(zhuǎn)換方面采用24位輸出數(shù)據(jù)格式，主機采用實時數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的掃描速率高，在同樣的采樣點前提下，采集點越多，掃描分辨率越高。處理軟件采用IDS廠家專門研發(fā)的地質(zhì)雷達后處理軟件°IDS的天線頻域廣，頻率選擇多，可滿足一機多用的要求，可根據(jù)需要搭配使用不同頻率的天線以完成不同工程的需要。2地質(zhì)雷達在地鐵隧道中的應(yīng)用2.1工程概述北京某地鐵線A站一一B站區(qū)間的地鐵隧道，距離較近的主要構(gòu)造斷裂有3條，其中良鄉(xiāng)-前門-順義斷裂與擬建線路相交，勘察報告揭示擬建場地最大孔深62m深度范圍內(nèi)存在人工堆積層和一般第四紀(jì)沖洪積層兩大類土，缺失新近沉積層。人工堆積層時間短，成分復(fù)雜，厚度變化大，土質(zhì)軟硬不均，壓縮性高，自穩(wěn)能力差，整體工程特性差；第四紀(jì)沖洪積層中，亞層間土質(zhì)不均，物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，易產(chǎn)生側(cè)向變形?？碧缴疃葍?nèi)，主要賦存4層地下水，類型為上層滯水和層間潛水，含水層一的穩(wěn)定埋深3.30m?6.90m；含水層二的穩(wěn)定埋深12.60m~15.30m，含水層三的穩(wěn)定埋深18.20m~21.60m，含水層四的穩(wěn)定埋深29.05m~31.85m。2.2工程應(yīng)用1.探測原理地質(zhì)雷達技術(shù)檢測原理是通過向介質(zhì)中發(fā)射高頻（主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫）短脈沖電磁波，經(jīng)地下地層或目的體反射后返回地面，為系統(tǒng)所接收，快速獲得相關(guān)檢測區(qū)域的三維詳細信息，探測地下介質(zhì)的分布情況。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線同步移動時，就能得到逐個記錄組成的地質(zhì)雷達剖面圖像。如圖1所示。地質(zhì)雷達掃描過程在儀器顯示界面上形成雷達圖像。雷達圖像橫坐標(biāo)為道或者距離，縱坐標(biāo)為時間或深度。其中橫坐標(biāo)的距離在采用時間模式時顯示的距離不準(zhǔn)確，需要以道為基礎(chǔ)進行距離歸一化后換算距離；縱坐標(biāo)的時間為電磁波從發(fā)射到接收的雙程走時，深度為時間和介質(zhì)對應(yīng)波速計算而來的。由于不同介質(zhì)之間，不同屬性（濕度等）同種介質(zhì)之間均存在介電常數(shù)的差異，這種差異形成反射波的相位和振幅的差異進而產(chǎn)生不同的圖像。我們通過反射波的相位、振幅、波的同向軸形態(tài)特征以及波的頻譜特性，并結(jié)合目標(biāo)結(jié)構(gòu)中的各種已知結(jié)構(gòu)，分析判斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)。雷達圖像的清晰度和測量深度與雷達天線關(guān)系最為密切。不同主頻天線的探測深度不同，天線頻率越低，探測深度越大，但分辨率越低。在選擇天線頻率時，應(yīng)根據(jù)實際探測的目的和要求，使得所選則天線的探測深度和精度都能滿足要求。圖1地質(zhì)雷達探測原理1.試件制作城市軌道交通隧道二次襯砌的做法中，一般采用厚度為300mm?500mm的鋼筋混凝土構(gòu)件制作。地質(zhì)雷達系統(tǒng)采用中心頻率為1000MHz天線時，可探測深度一般為0.5m以內(nèi)。本次模擬試驗中，采用頻率為900MHz的配套天線。模擬二次襯砌的制作方法，采用鋼筋混凝土制作試件，試件的整體外形尺寸為400mmX300mmX200mm。同時，在試件側(cè)面共預(yù)制4個空洞，用于模擬實際襯砌中二次襯砌和初襯交界處的缺陷。4個空洞的位置及尺寸示意圖見下圖2。1.測試方法上述試件制作完畢后，3天以后拆除試模，放置于室內(nèi)自然條件下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為28天。28天后，使用探地雷達配套頻率為900MHz的天線進行試件的空洞缺陷檢測。采用的其他相關(guān)設(shè)置為天線道間距：0.075m，時窗：20ns。在試件表面沿長度方向x方向進行掃描，與）向平行布置21道測線，測線間距均為0.01m，見下圖3。圖2試件及空洞尺寸圖3雷達測線布置2.3雷達剖面成像波形圖解釋1.波速校核地質(zhì)雷達在檢測目標(biāo)體的信息時，同時會接收到各種干擾信息。因此，數(shù)據(jù)處理時，需要有效去除雜波，最大限度地突出有效波，以便提高雷達圖像的信噪比和分辨率，使得可以從雷達圖像中提取出包含與地下目標(biāo)體的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和屬性等有關(guān)的信息，為地質(zhì)雷達資料提供解釋服務(wù)。本次試驗完成后，通過數(shù)據(jù)處理，波形圖見下圖4。在時間方向上，出現(xiàn)1處界面反射波，反射波上方信號為正常衰減，結(jié)合普通鋼筋混凝土的雷達反射特點，判斷此界面為二襯與初襯的交界面。深度方向，存在1處界面反射波，反射波下方同相軸相位相反，判斷此處為初襯與周圍巖土體的交界面。從深度軸可以看出，雷達波速為0.086m/ns。椅試件2尺寸適通需金圖4試件尺寸及雷達波速測定1.雷達波形圖解釋上述雷達波速測定完成后，分別作出第8條水平測線在空氣和水中的雷達波形圖，見下圖5和圖6。從圖5可以看出，時間軸方向6.7ns處有較強反射波，判定為二襯和初襯交界面，從圖6可以看出，時間軸方向15.8ns處有較強反射波，判斷為初襯和周圍巖土體交界面。兩處交界面的深度分別為0.30m和0.70m。圖5空氣中第8條測線波形圖6水中第8條測線波形由以上分析可見，對于總襯砌厚度為400mm的襯砌，可以查明初襯與周圍巖土體的缺陷，相應(yīng)缺陷處在波形上的反應(yīng)為鋼筋混凝土和水及周圍巖土體間界面反射波波形越來越模糊。2.4三維透視分析根據(jù)理論分析可知，雷達波在空氣層中傳播速度大約是混凝土中的三倍，因此，空氣中的雷達波可近似地認為無衰減，而在混凝土層中是正常衰減。為便于分析，分別作測線1?10的三維透射圖和測線16?21組成的三維透視圖，進行反相信號處理，見下圖7所示。根據(jù)雷達波振幅變化的顏色表示，從圖像中可以看出，雷達反射波在試件的下部的衰減幅度變化較大，而在其上方為正常衰減。因此，結(jié)合雷達圖像的剖面圖和水平切片，三維成像圖可以直觀反映出整個試件的大體輪廓和空洞所處的相對位置。但由于本次測試中的空洞位于試件的邊緣部位，在雷達測試缺陷時受到了空氣層的影響，無法從3D圖判斷空洞具體形狀。圄61-10測線和測線組成的=.罪透視圖圖71~10測線和16~21測線組成的三維透視圖3提高地質(zhì)雷達探測精度的措施在運動狀態(tài)下進行檢測時，由于人為因素以及檢測時設(shè)備天線的貼合度、檢測臺車的顛簸、檢測前雷達主機的參數(shù)調(diào)試等因素的影響，對檢測的數(shù)據(jù)精度會造成誤差。具體分析可以得出如下結(jié)論：探測前，對具體檢測的隧道，要根據(jù)設(shè)計和勘查的資料，選擇不同類型的天線，設(shè)置好儀器的各項參數(shù)，包括介電常數(shù)、增益、以及高、低通濾波等。特別是介電常數(shù)的確定，必須通過現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試、試測，達到理想的效果才能進行檢測。在用儀器采集數(shù)據(jù)時，檢測人員應(yīng)時刻關(guān)注雷達圖象，對圖像異常部位做好必要的信息記錄，必要時應(yīng)進行二次檢測。采用檢測車進行檢測時應(yīng)保證平穩(wěn)、勻速、直線前進，盡量減少停頓，停頓時應(yīng)記錄停頓位置。檢測數(shù)據(jù)的好壞由現(xiàn)場檢測技術(shù)水平?jīng)Q定。雷達天線傾斜會導(dǎo)致雷達波傳輸出現(xiàn)問題，扶持天線的過程中，如遇障礙物或人員勞累等原因，天線不能與測線方向保持平行，產(chǎn)生一個偏差角度，從而直接影響雷達檢測數(shù)據(jù)。隧道的里程標(biāo)識不清或隧道內(nèi)視線不好，容易造成較大誤差。因此現(xiàn)場需要專業(yè)測量人員進行精確測量后標(biāo)定里程，以保證現(xiàn)場采集的里程位置真實，此項對判斷隧道內(nèi)的施工缺陷的位置至關(guān)重要。參考文獻：中國鐵路工程總公司.鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程：TB10223[S]