地質(zhì)雷達在隧道襯砌工程檢測中的應用

地質(zhì)雷達在隧道襯砌工程檢測中的應用摘要:針對鐵路隧道施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題,利用地質(zhì)雷達技術(shù)進行隧道工程質(zhì)量檢測。針對鐵路隧道,給出地質(zhì)雷達在無損檢測應用中的工作方法,包括測線布置、采集參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場檢測和后期資料處理解釋。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理分析,可以精確探測襯砌厚度,確定鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數(shù)量,查明襯砌背后特別是拱頂存在的空洞和回填不密實區(qū)域。使用地質(zhì)雷達對隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進行檢測,實踐證明技術(shù)方法是切實可行的前言地質(zhì)雷達法以其無損性、高效率、高分辨率等優(yōu)點,正逐漸成為地下隱蔽工程調(diào)查的一種有力工具,現(xiàn)已廣泛應用于工程地質(zhì)勘察、建筑結(jié)構(gòu)調(diào)查、無損檢測、水文地質(zhì)調(diào)查、生態(tài)環(huán)境等眾多領(lǐng)域。隨著交通事業(yè)的發(fā)展,隧道的大量建設(shè),隧道病害也屢見不鮮。應用地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌,在鐵路、公路部門中已經(jīng)普遍展開。應用地質(zhì)雷達進行隧道襯砌檢測已有很多研究。檢測內(nèi)容主要包括:隧道襯砌的厚度、隧道襯砌背后回填物的密實狀態(tài)、隧道襯砌背后與圍巖的脫空區(qū)域、圍巖的狀態(tài)及其地下水向隧道侵入的通路等方面。由于高頻電磁波在介質(zhì)中的高衰減性,使得該方法的應用受到一定的限制。地質(zhì)雷達的檢測效果不僅與地質(zhì)雷達本身的技術(shù),還與較多影響因素相關(guān),因而使得實際工程中很多檢測效果并沒有達到預期的目的。因此,有必要分析影響應用地質(zhì)雷達技術(shù)檢測效果的主要因素,解決地質(zhì)雷達在隧道檢測中的有關(guān)技術(shù)問題,以便進一步提高檢測水平。1．地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌目的隧道襯砌的質(zhì)量檢測主要包括:①隧道襯砌厚度，②隧道襯砌背后未回填的空區(qū)，③復合式襯砌中兩層襯砌間較大的空段，④施工時坍方位置及坍方的處理情況，⑤襯砌混凝土回填密實度。有時還可檢測圍巖中地下水向隧道侵入的位置。近幾年來采用探地雷達來做主要檢測手段的越來越多。這是由于與其它方法相比，作為沿測線作掃描檢測的探地雷達工作效率較高。用探地雷達在全隧道噴錨初期支護完成后作一次全面檢測也是必要的，也應當進一步推廣使用以提高噴射混凝土質(zhì)量。襯砌混凝土強度的現(xiàn)場檢測，目前常采用回彈儀法、超聲+回彈法、瑞利面波波速法等。2．隧道襯砌質(zhì)量的檢測原理

與探空或通訊雷達技術(shù)相類似，探地雷達也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，只是它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn).探測的，故亦稱之為地質(zhì)雷達。探地雷達是通過天線將脈沖雷達波發(fā)射入被測物體，由接收天線接收不同物理性質(zhì)物體的界面反射的雷達波，據(jù)此進行探查。實測時將探地雷達的發(fā)射和接收天線密貼于襯砌表面，雷達波通過天線進入混凝土襯砌中，遇到鋼筋、鋼質(zhì)拱架、材質(zhì)有差別的混凝土、混凝土中間的不連續(xù)面、混凝土與空氣分界面、混凝土與巖石分界面、巖石中的裂面等產(chǎn)生反射，接收天線接收到反射波，測出反射波的入射、反射雙向走時，就可計算出反射波走過的路程長度，從而求出天線距反射面的距離D（圖1）。毒圖顛1術(shù)姜雷達探測原理私示意圖序D=V逼·熊△創(chuàng)t/2昏式中：我D尼為天線到反射云面的距離；茫Δ此t仗蒼為雷達波從發(fā)男射至接收到反就射波的走時，瓜用摸ns拍(丟納秒至計污)暖，趨1ns=1甜0-鼻9奧秒；浮

V爭悉為雷達波的行濕走速度，可以楚用幾何光學的梁概念來看待直插線傳播的雷達哨波的透射和反煤射。增V=C至0澡/怨ε想1/2袍其中，準C醉0氣為雷達波在空鄰氣中的傳播速谷度檢─章30cm/n倆s芒；磨ε陶為介電常數(shù)，熔由波所通過的鳴物質(zhì)決定。怕即物體中的雷鄙達波速由其介禽電常數(shù)決定洗。貿(mào)若如空氣毅的群ε衣=1旨，水脂的垃ε均=80套，混凝土糟的叢ε蝴在旁6罰～勉14芝之間。實際上羨，雷達波之所瓶以會在物體界塌面產(chǎn)生反射，凳是因為界面兩宅側(cè)物質(zhì)介電常嚇數(shù)不同。狹雷達天線可沿廈所測測線連續(xù)壩滑動，所測的庸每個測點的時忽間曲線可以匯眾成時間剖面圖婦像。從一個測巧點的反射波時潤間曲線上去判擾別哪一個波反遵映什么是困難原的，但多個測煩點資料匯成的喇時間剖面，各詢測點接收到的坦同一反射面的軟反射波匯成一央定圖像，就能雷直觀地反映出愧各種不同的反額射面。例如，法一個與測量平禍面近于平行的絕反射面，如襯時砌的外緣面，端在時間剖面上比就是與時禿間命0客基線近于平行闖的線；襯砌與寶巖體交界面的攪起伏（反映了牙襯砌厚薄變化瀉）表現(xiàn)為有起驗伏的圖像；鋼箏質(zhì)拱架的反射夕圖像可能是一博雙曲線，在彩屠色或黑白灰度池的圖上也可能牛呈現(xiàn)一個個圓紙點；突入襯砌癢中的小塊巖石挖、襯砌背后的序空洞、兩層襯各砌間的空隙則望多呈雙曲線圖斥像。根據(jù)這些夕圖像即可辯別傾不同的物體。循時間剖面圖像驢是探地雷達成析果的基本圖件家，其橫座標為愿測點位置，縱耐座標為雷達波車反射時?？梢陨钣煤诎撞ㄐ蛨D延像（波形圖變算面積黑白顯示脹）、黑白灰度匯顯示、彩色色毅塊顯示等形式趣制圖。滿3耕．檢測工作方胸法技術(shù)凝每座隧道沿隧簽道拱部軸向檢毛測連5啦條測線：拱頂慌、左拱腰和右腦拱腰、以及左龍邊墻和右邊墻病。揀可選用的雷達劃有多種，根據(jù)旋需要探測的深釣度來選定天線脂的頻率。頻率默高的天線發(fā)射養(yǎng)雷達波主頻高難、分辨率高，銳但探測深度淺脅；頻率低的天辰線發(fā)射雷達波酸主頻低、分辨軋率低，但是探貓測深度大。若勺選凡用恰45洪0救～謠500MH棒z責的工作天線，汗它的波長約祥為薦2命0噸～塑30c炸m售，檢測厚丙于距2辛0魂～嚼30c悼m李的襯砌厚度有號足夠的分辨率娃，并可達沿到代2c檔m著左右的探測精迎度，可探測按約薯2.5迎m或深，適合檢測塑復合襯砌和隧潮道仰拱；為探妻測深胞于竊3榆～戶5責m愈的坍方情況，薪則需改挪用妄10受0秘～體200MH便z請?zhí)炀€；對于采掏用地質(zhì)雷達發(fā)愈做隧道超前預非報則適宜使用世更低頻率的天障線。毒雷達檢測時，邁需將發(fā)射和接臘收天線與隧道脆襯砌表面密貼根，沿測線滑動笨，由雷達儀主謀機高速發(fā)射雷知達脈沖，進行拋快速連續(xù)采集練。為此，需使勻用工作臺架，閘便于將天線舉餅起密貼襯砌。禽為保持工效，錢天線沿測線伴以狀5km/h盟經(jīng)左右的速度滑尿動。為此，在相卡車車廂上或凈鐵路平板車上閉用鋼管搭架并準鋪木板制成工個作平臺。雷達埋每秒發(fā)境射令2獻0低～撿3嚼0兇個脈沖，若檢鮮測時天線的行只走速度密為免1m/使s塌（摘3.6km/推h豎），則每米有羅測聯(lián)點坐2粘0殼～語3天0銅個；若天線的郵行走速度帽為侄1.5m/s丘(5.4km棒/h親)廉，則每米測線乎有測三點垮1愛5珍～憤2框2馳個。賄雷達時間剖面箱上各測點的位仇置要和隧道里筒程相聯(lián)系。為命保證點位的準霞確，在隧道壁陽上刺每重5仇m吐或播10益m寶作一標志，標低上里程。當天吊線對齊某一標千記時，由儀器用操作員向儀器糖輸入信號，在蟻雷達記錄中乳每廣5熟m殊或逢10貓m酒作一里程標記留。內(nèi)業(yè)整理資膊料時，根據(jù)標肆記和記錄的首瞧、末標及工作芬中間核查的里依程，在雷達的幣時間剖面圖上攝標明里程。字圖驗4治牢在在建隧道中料用鋪設(shè)防水板丑的全斷面工作每臺架作檢測展（用裝載機牽概引）旺4告．探地雷達的惰資料處理與解詢釋活4.1鉆資料處理和編麗錄整理以及設(shè)委計資料的匯集孩現(xiàn)場采集的數(shù)左據(jù)要經(jīng)過濾波覽、去噪、均衡致等處理，打印黑成時間剖面圖莖。時間剖面圖該是用來作判釋耳和計算的基本油圖件，需要精下心制作眉。儲1k斬m袍的測線，圖紙奏連接起來約速有明1縮5由～艱20底m玻長，打印這些爭圖紙的時間往鷹往要長于現(xiàn)場筋采集的時間。謎為了使圖紙的仙計算與實際里訂程相符，必須輪在圖紙上標注耕里程脂及禁5企或惑10勿m蠢的間隔標記，緞并要將一些特往殊情況，如電箱氣化線路隧道薪中的錨節(jié)點位畢置、隧道中的雁變截面位置、驅(qū)燈或通風機位首置等標于圖上贊。信對隧道襯砌質(zhì)溝量作檢測和評映價，還必須掌值握該隧道的設(shè)折計情況，如圍喬巖分類、設(shè)計欺參數(shù)、施工方譽法和步驟等，建特別是長隧道簡，地質(zhì)復雜，汁設(shè)計參數(shù)變化養(yǎng)多，有時還由孝不同單位分段餡施工，掌握這條些資料，對探堡查資料判釋和呆隧道質(zhì)量評價撞很有必要。而嗚熟悉和掌握這沙些資料和情況蚊又需要檢測人擁員下工夫去研收究。否4.2

孝侵資料處理及判懲釋：搜輝徹處理步驟：原始雷達波形記錄惕

具圖攏5爬宣數(shù)據(jù)處理與解藥釋流程圖爸問取腹檢測若采用波無形黑白灰度顯倘示形式打印雷謀達時間剖面圖衡，資料判釋時提應在計算機屏灑幕上調(diào)出彩色逼時間剖面圖作吐對比。從圖件球標記起每一步飲驟均俊需扎200辯%累復核、檢查，互實際上從制成棉時間剖面圖起森需經(jīng)歷臘約撇1序0冒道工序，每道割工序均需仔細設(shè)地研究時間剖雁面圖，打印時腳間剖面圖受打城印機打印速度灶限制，資料處掉理及判釋與現(xiàn)送場準備及采集葵時間比約幼為穴4吐：脖1尋到津5開：管1涂。暴渾衡介電常數(shù)（氣）的確定傅我檢測中心檢逝測介電常數(shù)中的確定常采用悼反演法，即由陵公式謀計算慈。其中舍C閃為光速（謝C恩＝扛0.3梁m賤/敘ns否），當△焰t挑雙程旅時（見ns辟），堂D你是已知厚度值避（巧m然）。便通過對已知厚銳度的部位（隧淹洞口）標定，城確定適合隧道象二襯混凝土的飄相對介電常數(shù)株值。姿4.3

靠舌資料的解釋原謎則懼⑴連衡二襯砌界面的亡判識網(wǎng)在探地雷達圖好像的上部，一資般振幅較強，柴同軸同相比較漂連續(xù)的第一組舉波形為襯砌界獲面反射信號。違界面判識后輸劣入正常的介電恢常數(shù)值，即可加由計算機自動獎計算出襯砌厚濕度值，厚度的漂計算公式為嘆。鼠⑵掘聰鋼拱架位置及抹判識練在地質(zhì)雷達圖鄭像中，電磁波狐遇到鋼筋時產(chǎn)敏生極強的反射叫，反射波的位頂置為鋼同筋距測試面的此距離（背水面場保護層厚度）糞；通過濾波處號理，確定各里價程段鋼筋拱架烈分布情況及背餡水面保護層厚億度。疫⑶榨章襯砌混凝土缺祥陷及位置判識隨由于襯砌混凝顫土與空氣的相安對介電常數(shù)的遞差異較大，所夢以探地雷達圖腹像中表現(xiàn)為振削幅較強的界面昂反射信號（多經(jīng)次波），所以罰空洞的明顯特宅征就是有強烈識的多次反射，咳波從相對介電志常數(shù)大的物質(zhì)岡（盾C2狹0疫混凝土礎(chǔ)為沖8先左右）進入相均對介電常數(shù)小頓的物質(zhì)（空氣矩為載1廁）中時，根據(jù)錘波動原理，在缺上界面處會先劫疊加為負波，駕鬧誠可在雷達圖像派中準確拾取界秋面反射的雙程藥旅時，根據(jù)公筐式求得缺陷的嶄位置；襯砌不保密實可能是由倉于混凝土離析費振搗造成的，銳從波形特征與匯空洞的反射相叼似，但反射很駛?cè)酰换炷林姓`有鋼筋時也會委產(chǎn)生反射，波諸從相對介電常酸數(shù)小的物質(zhì)仙（幸C2捆0部混凝土士為姻8塘左右）進入相壞對介電常數(shù)大鍋的物質(zhì)（鋼筋滾為吃∞添）中時，根據(jù)撓波動原理，在況上界面處會先研疊加為正波。久對于復合襯砌材隧葬道麥,糟當?shù)谝淮我r砌炸與第二次襯砌稻之間存在空隙狼時櫻,碰界面上讀取的惰厚度值為隧道戶的二次襯砌厚喘度，若二者密拐貼良好，則為午一、二次襯砌響合值；對于非饑復合襯砌隧道當,呈該界面上讀取校的厚度值即為鄉(xiāng)隧道的襯砌厚羅度值。霧5顫.榜芬雷達探查的典勵型圖象需遞1鞭.成襯砌界線峽混凝土襯砌、辦噴射混凝土與靈圍巖（或其間威空區(qū)中的空氣限）有明顯的介妥電常數(shù)差，因令此在時間剖面淋圖上，襯砌底嫂面和巖石之間今有明顯的界線扭。雷達發(fā)射的鏈直達波延躬續(xù)吧4題個周期以上昨，伐0爐～麗12n彈s錦左右的目標物懇的反射波均與今它相疊。雷達奔的直達波呈現(xiàn)村幾條平直的水帆平同相軸的圖幸像，而圍巖開昂挖總有或大或椒小的不平，故腎襯砌底界，即叛它與圍巖的分搶界面的反射波繳同相軸一般為窄有起伏的非直似線圖像，這是敲很易辨認的。富噴射混凝土與油模筑襯砌介電栽常數(shù)有差別，煩但不是很大，有它們之間若接段觸很好或粘結(jié)仿，則可能沒有污明顯的反射波娃或僅有微弱的炊反射波。如果釣噴射混凝土中畝有鋼質(zhì)拱架和上鋼筋網(wǎng)，則由偉于它們可強烈悲地反射雷達波磚，故可看到連晌續(xù)的綿延的反尿射圖像。持圖漫6采攏某隧道雷達剖體面圖香圖邁6違中由于混凝土創(chuàng)與圍巖的介電赤常數(shù)差異明顯醋我們能很好的燒分辨不同介質(zhì)偵的分界面。潑2迫.秘拱架與鋼筋網(wǎng)氣在地質(zhì)雷達圖暮像中，電磁波雕遇到鋼筋時產(chǎn)敗生極強的反射困，反射波的位偽置為鋼援筋距測試面的斜距離（背水面丑保護層厚度）伴；通過濾波處仁理，確定各里敘程段鋼筋拱架思分布情況及背顫水面保護層厚劉度?？鍒D徒7污蹈混凝土中布置父的鋼筋網(wǎng)果圖嫌7之中由于鋼筋的槳界電常數(shù)河為層∞妖，圖中可見連立續(xù)的小雙曲線偏反射，這是鋼鴉筋網(wǎng)的代表性攜反射圖。住圖蒜8

悠典型的格柵鋼機架反射育圖科8新中兩標距之間膚為莖10竭米柱，每肥10軌米投的鋼架起為田9旗榀達到了設(shè)計找要求。忍3.先襯砌混凝土缺偽陷弱混凝土內(nèi)部缺住陷包括欠密實首、脫空等現(xiàn)象副，欠密實其表怠現(xiàn)為波形雜亂漫且不連續(xù)的反鞭射波形。捆圖燃9襖復合襯砌與圍餓巖間的不密實笑帶誓回謹圖民1綁0咸某隧道仰拱部戲位混凝土中出神現(xiàn)的不密實區(qū)圖10脫空乞圖殃11局炎鋼拱架后出現(xiàn)債的空洞異常河6裳.博提高檢測精度硬的措施窯肆⑴求詳細了解檢測摔區(qū)間物理狀態(tài)循襯砌層物理狀過態(tài)的變化直接縱影響到雷達波偏的變化，影響遠因素主要是含寄水量的變化、重檢測面平整度粒、襯砌層砼材勒料配比變化、儀襯砌層結(jié)構(gòu)變脊化。隧道檢測哥有許多條測線菌，分若干次檢吹測，每條檢測文的襯砌層物理遍狀態(tài)變化情況瓦并不完全一致萍，這就需要較富為詳細地了解居設(shè)計資料、隧棵道的施工記錄舅，同時在檢測泊過程中還要做轎好外業(yè)記錄索(踢如滲水、平整沸度等弱)控。只有這樣才素能根據(jù)客觀情層況，有針對性葵地對地質(zhì)雷達夾資料進行合理倉的分析。搭⑵攪合理布置取芯蘭點位害影響檢測精度亦的主要問題是播標定的地質(zhì)雷跟達的電磁波速戒度，根本問題當是不同區(qū)間介眉質(zhì)物理狀態(tài)的易變化，實質(zhì)問俊題是介電常數(shù)跑的變化。當使飼用地質(zhì)雷達進罩行隧道檢測時犁，合理布置用申于標定雷達波壟速的取芯點位下，對襯砌層在老不同物理狀態(tài)巴下的雷達波速躍進行分別統(tǒng)計集，并分析雷達賓波速的變化規(guī)種律，有效控制項因雷達波速的愚誤差帶來的探數(shù)測偏差或較大灘誤差。悶⑶碰注意區(qū)分多次深反射信號灣襯砌層厚度相傭?qū)^薄，且內(nèi)僚部結(jié)構(gòu)比較復刃雜，襯砌層的械面層和內(nèi)部結(jié)健構(gòu)層會形