lAAA地質(zhì)雷達在隧道工程質(zhì)量檢測中應用的若干技術(shù)問題

地質(zhì)雷達在隧道工程質(zhì)量檢測中應用的若干技術(shù)問題

主講人：仇文革教授西南交通大學二OO五年六月二十一日隨著國家陸路交通的不斷發(fā)展，鐵路公路隧道的數(shù)量也在逐年增加，同時在運營過程中暴露出來的隧道病害也在連連告急。這就需要一種高效的能夠?qū)λ淼酪r砌質(zhì)量進行全面快速的檢測方法來適應這種發(fā)展，使隧道病害能夠提前得到治理。地質(zhì)雷達檢測方法可以對隧道襯砌混凝土厚度、密實性、脫空等進行快速檢測，它不僅克服了傳統(tǒng)上以點蓋面的只靠目測和打孔抽查來對隧道質(zhì)量進行不全面檢測的缺點，而且是一種采用高科技手段，以其高分辨率和高準確率、能快速、高效的進行無損檢測的方法，在隧道工程質(zhì)量檢測中得到廣泛的應用。前言雖然地質(zhì)雷達在隧道工程質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應用，但就檢測過程中所要特別注意的問題（雷達波速的標定、地質(zhì)雷達天線頻率的選擇、地質(zhì)雷達圖像的定位等問題）、檢測設備所存在的問題（地質(zhì)雷達天線的輕型、小型化以及隧道檢測專用檢測車的設計等問題）、后處理問題（缺陷中空洞的準確定位、標準圖譜庫的建立、檢測結(jié)果的快速及可視化等問題）等均有待進一步得到解決。以下就上述問題開展一些討論。在地質(zhì)雷達檢測的測線上，用鉆機在混凝土上鉆透襯砌混凝土，然后再用尺量出混凝土襯砌的實際厚度(d)，并從地質(zhì)雷達圖像上讀出鉆取位置處襯砌混凝土反射層面的雙層走時，再根據(jù)式(1)即可求出波速。波速標定問題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1鉆芯法測混凝土襯砌厚度式（1）使用激光斷面儀（見圖1）對隧道初支/二襯前斷面進行檢測（見圖2），待初支/二襯完成后在同一斷面再次進行檢測（見圖3），通過相同位置兩次檢測結(jié)果的差值（見圖4），可得出檢測斷面初支/二襯的準確值。再根據(jù)式（1）利用此準確值對地質(zhì)雷達在初支噴混凝土/二襯混凝土中傳播的波速進行標定。波速標定問題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光斷面儀測混凝土襯砌厚度

圖1BJSD-2型隧道限界檢測儀圖2初支/二襯前斷面檢測示意圖圖3初支/二襯后斷面檢測示意圖波速標定問題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光斷面儀測混凝土襯砌厚度

圖4初支/二襯厚度檢測示意圖圖5拱頂測線處厚度及雷達圖像從圖5可知，d=0.236m，雷達波雙程走時為4ns，根據(jù)式（1）求出波速為0.118m/ns。已知整個檢測斷面的初支/二襯厚度，可將不同測線在此斷面的波速分別求出，再對其進行綜合分析，求出綜合的波速值。從這點出發(fā)，要比鉆芯法求襯砌厚度的方法在科學性、準確性（精度）上都優(yōu)越得多。波速標定問題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光斷面儀測混凝土襯砌厚度

使用激光斷面儀對隧道開挖輪廓或襯砌凈空進行檢測（見圖6～9），不僅可以對地質(zhì)雷達波速進行標定，而且還可以評價隧道開挖及隧道凈空是否滿足設計要求。從而達到了多個檢測項目相結(jié)合的效果。

圖6新建公路隧道斷面檢測照片1圖7新建公路隧道斷面檢測照片2波速標定問題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光斷面儀測混凝土襯砌厚度

圖8既有鐵路隧道斷面檢測照片1圖9既有鐵路隧道斷面檢測照片2當襯砌背后存在明顯空洞時，檢測到的波譜圖像中將存在拋物線。從而可通過在速度(V)處輸入不同速度值進行擬合，當拋物線與圖像中存在的拋物線完全擬合時，該速度即為襯砌混凝土的速度（如圖10所示）。波速標定問題1.2間接法（雷達寬角速度測量法）

圖10襯砌混凝土內(nèi)波速擬合示意圖波速標定問題1.2間接法（雷達寬角速度測量法）從圖11可知波譜圖像中拋物線的形成原因，在圖中可任取兩個點對速度進行擬合。由其關(guān)系可推導出速度擬合公式如下：式（2）圖11拋物線成因示意圖波速標定問題1.3混凝土齡期對雷達波速的影響問題由相關(guān)文獻知：利用地質(zhì)雷達技術(shù)檢測混凝土內(nèi)部缺陷體時，混凝土齡期越短，探測缺陷體的效果越好。這就說明隨混凝土齡期的不同，其介電常數(shù)是有差異的。從而提出齡期對雷達波速有影響的問題。地質(zhì)雷達天線頻率的選擇問題頻率高的天線發(fā)射雷達波主頻高、分辨率高、精度較高、能量衰減較快、探測深度較淺；頻率低的天線發(fā)射雷達波主頻低、分辨率低、精度相對較低、能量衰減較慢、探測的深度較深。各頻率天線詳見表1、圖12所示。圖12RAMACⅡ型地質(zhì)雷達各頻率天線序號天線(MHz)土壤中(m)巖石中(m)備注1252540

2502030

31001220

4200815

5250510

65003.55

780023.5

810001.53

表1不同天線的穿透深度地質(zhì)雷達天線頻率的選擇問題表2檢測厚度與天線頻率選擇對照表序號探測目標及深測深度（cm）天線頻率（MHz）備注1噴混凝土（10～20）10002模筑混凝土(30～100)5003襯砌背后圍巖（200～300）200；100因此，選用天線時，應根據(jù)隧道混凝土厚度及檢測要求來確定天線的頻率，詳見表2。里程的標記問題為了保證地質(zhì)雷達圖像上各測點的位置與實際檢測里程的位置相對應，先在隧道邊墻上用紅油漆每5m作一個標記，標注里程以供核對。實際檢測時，當天線對齊某一標記時，由儀器操作員向儀器輸入信號，在雷達記錄中每5ｍ作一個標記，同時，應盡量使天線勻速移動。由于檢測時天線的走向不是真正意義上的直線，而是蛇形前進，所以，即使是采用里程輪，也應對記錄的里程與實際里程進行核對。整理資料時，根據(jù)標記和記錄的首末標及工作中間核查的里程，在雷達的時間剖面圖上標明里程，以保證雷達圖像點位的準確（見圖13）。里程的標記問題圖13隧道里程與雷達標記對照示意圖如圖13所示，如若每米作1個標記，即使檢測速度不一致，也可準確定出隧道每米的準確位置；每5米作1個標記，能確定每5米處的準確位置，而每5米間只能通過平均處理來確定每米的位置，若5米內(nèi)的速度存在差異，將會導致隧道每米的準確位置不能確定，見圖13(b)、（c)及圖14。圖14實測雷達圖像上標記地質(zhì)雷達天線輕型化、小型化技術(shù)從事地質(zhì)雷達對隧道襯砌厚度進行檢測的檢測人員均有深刻體會：特別是進行隧道拱部的各測線檢測時，天線密貼襯砌表面變成極困難的事情。原因：一是目前還未有專門用于隧道檢測的檢測車，使扶天線的工作成為高空作業(yè)，在現(xiàn)場檢測時常借助裝載機或挖掘機進行檢測（見圖15～20）；二是目前采用的天線重量、體積均較大（特別是低頻率天線）。往往造成扶天線的工作人員不堪重負。

圖15新建公路隧道現(xiàn)場檢測照片（拱腳）圖16新建公路隧道現(xiàn)場檢測照片（拱頂）1地質(zhì)雷達天線輕型化、小型化技術(shù)

圖17新建公路隧道現(xiàn)場檢測照片（拱頂）2圖18新建公路隧道現(xiàn)場檢測照片（拱頂）3

地質(zhì)雷達天線輕型化、小型化技術(shù)圖19新建公路隧道現(xiàn)場檢測照片（拱頂）4圖20既有鐵路隧道現(xiàn)場檢測照片（拱頂）對于現(xiàn)有技術(shù)，可將電池供電改為外部供電（電瓶等）以減輕雷達天線的重量。在天線原材料選擇時，可選取輕質(zhì)、硬度大的材料。隧道專用檢測車的設計上面已提出：對于新建或既有隧道的拱部進行檢測時，密貼天線在襯砌表面是很困難的。其中最主要的一個原因就是作業(yè)人員無專用操作臺，不便操作造成的。目前常采用的辦法是在汽車上搭設鋼管架或利用檢修車等作為檢測車（見圖20、21、22）。為了今后隧道檢測工作的方便，從而提出隧道專用檢測車的設計問題。圖21汽車上搭設鋼管架簡易檢測車圖22公路隧道檢修車隧道專用檢測車的設計對于專用檢測車的要求：以汽車/卡車為載體，在其上架設特制部件用于安放雷達天線，為了使天線密貼襯砌表面，在雷達下部加設彈簧等結(jié)構(gòu)給天線加力，使其密貼；就目前而言，所檢測的測線并非完全意義上的直線，大多存在左右或上下擺動，造成天線沿襯砌表面蛇形前進或局部存在脫離襯砌表面，所以要在檢測車上安設導向裝置，使天線的走向（地質(zhì)雷達測線）成真正意義上的直線。設備生產(chǎn)的本土化及國產(chǎn)化問題由于地質(zhì)雷達為主的無損檢測方法已得到極大的推廣和應用，為了適應地質(zhì)雷達在隧道等工程質(zhì)量檢測中的發(fā)展，從而提出了地質(zhì)雷達設備生產(chǎn)的本土化及國產(chǎn)化。所謂本土化，是外國設備生產(chǎn)企業(yè)在我國進行合資或獨資辦廠，利用國外技術(shù)及國內(nèi)的勞動力進行生產(chǎn)；

所謂國產(chǎn)化，是國內(nèi)企業(yè)自已辦廠，利用已有技術(shù)及部分國產(chǎn)元件進行生產(chǎn)。只要達到地質(zhì)雷達設備生產(chǎn)的本土化及國產(chǎn)化，將大大降低成本、增加生產(chǎn)，滿足社會的需要。同時也能促進地質(zhì)雷達得到更廣泛的應用。空洞定位問題在隧道襯砌的缺陷判定時，所采用的地質(zhì)雷達圖像通常只是某一條測線所采集到的。眾所周知，地質(zhì)雷達所采集的圖形并不完全是天線所經(jīng)過測線剖面的如實反映，如若在測線附近存在空洞等缺陷時，即使不在測線剖面上，在地質(zhì)雷達圖像上也會有反映。當存在這種情況時，如只采用一條測線對空洞進行精確定位是比較困難的。如若在其空洞位置正交補測一條或多條短測線，則可通過兩個、多個地質(zhì)雷達剖面圖像進行立體分析，可對空洞進行精確定位。但對于空洞存在的規(guī)模（空洞高度）仍不能準確定量。這是因為：雷達波在空洞的波速無法準確給定；空洞第二界面的反射波特征很難確認，從而導致空洞的高度無法準確定量。測試規(guī)程的制定、標準圖譜庫的建立由于目前仍沒有統(tǒng)一的測試規(guī)程，現(xiàn)在均是根據(jù)經(jīng)驗進行處理分析，造成了對雷達測試結(jié)果評判的混亂。如果處理不當，容易造成對雷達檢測結(jié)果產(chǎn)生誤解，可能會制約地質(zhì)雷達檢測在隧道工程質(zhì)量檢測中的應用前景。因此，應盡快制定相應的測試規(guī)程以適應雷達檢測發(fā)展的需要。同時，由于標準圖譜庫的欠缺，造成相同的地質(zhì)雷達剖面圖像，由不同的人判讀，會得出不同的結(jié)果。這就提出要有統(tǒng)一的標準圖譜，對各種可能的情況（空洞、不密實、含水及分層等情況）經(jīng)過試驗，做出標準圖譜，供判讀圖像的檢測人員參照，以避免讀出錯誤的結(jié)果，從而避免錯誤檢測報告的產(chǎn)生。后處理為了還原地質(zhì)雷達所檢測目標及缺陷的實際情況，使成果能讓人一目了然，要求對地質(zhì)雷達檢測圖像進行3D處理（見圖23、24），達到檢測結(jié)果的可視化效果。圖23Easy3D軟件處理結(jié)果1圖24Easy3D軟件處理結(jié)果2后處理對于目前的后處理工作，雖經(jīng)過各種變換、濾波之后進行層位追蹤（見圖25、26），可以進行結(jié)果的判讀。但若檢測工作量較大時，快速出結(jié)果就極為困難。所以，如何快速對檢測結(jié)果進行處理，也是需要解決的問題。圖25層位追蹤示意圖圖26層位追蹤結(jié)果圖

結(jié)束語在充分處理好上述地質(zhì)雷達在隧道工程質(zhì)量檢測中應用的技術(shù)問題之后，將會使地質(zhì)雷達在隧道檢測中的應用得到更高層次的發(fā)展，以滿足新建隧道質(zhì)量檢測和既有/運營隧道的技術(shù)狀況檢測的需要，使地質(zhì)雷達檢測成為我國的基礎設施建設中質(zhì)量控制不可缺少的檢測方法。寶山壁畫寶山壁畫是引人注目的昂貴文物。此壁畫發(fā)現(xiàn)于阿魯科爾沁旗東沙布鄉(xiāng)境內(nèi)。1994年列為