地质雷达在隧道衬砌工程检测中的应用

地质雷达在隧道衬砌工程检测中的应用来源:中铁八局集团有限公司二公司检测中心发表时间:2010-3-22作者：罗挺摘要: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。1．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:①隧道衬砌厚度，②隧道衬砌背后未回填的空区，③复合式衬砌中两层衬砌间较大的空段，④施工时坍方位置及坍方的处理情况，⑤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。2．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D（图1）。图1雷达探测原理示意图D=V·△t/2式中：D为天线到反射面的距离；Δt为雷达波从发射至接收到反射波的走时，用ns(纳秒计)，1ns=10-9秒；V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。V=C0/ε1/2其中，C0为雷达波在空气中的传播速度─30cm/ns；ε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ε=1，水的ε=80，混凝土的ε在6～14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0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。3．检测工作方法技术每座隧道沿隧道拱部轴向检测5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450～500MHz的工作天线，它的波长约为20～30cm，检测厚于20～30cm的衬砌厚度有足够的分辨率，并可达到2cm左右的探测精度，可探测约2.5m深，适合检测复合衬砌和隧道仰拱；为探测深于3～5m的坍方情况，则需改用100～200MHz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5km/h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20～30个脉冲，若检测时天线的行走速度为1m/s（3.6km/h），则每米有测点20～30个；若天线的行走速度为1.5m/s(5.4km/h)，则每米测线有测点15～22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5m或10m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5m或10m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4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）4．探地雷达的资料处理与解释4.1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。1km的测线，图纸连接起来约有15～20m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5或10m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。4.2资料处理及判释：4.2.1处理步骤：原始雷达波形记录图5数据处理与解释流程图4.2.2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200%复核、检查，实际上从制成时间剖面图起需经历约10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4：1到5：1。4.2.3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C为光速（C＝0.3m/ns），△t双程旅时（ns），D是已知厚度值（m）。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。4.3资料的解释原则⑴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。⑵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。⑶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（C20混凝土为8左右）进入相对介电常数小的物质（空气为1）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（C20混凝土为8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。5.雷达探查的典型图象1.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4个周期以上，0～12ns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6某隧道雷达剖面图图6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。2.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7混凝土中布置的钢筋网图7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8典型的格栅钢架反射图8中两标距之间为10米，每10米的钢架为9榀达到了设计要求。3.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9复合衬砌与围岩间的不密实带图10某隧道仰拱部位混凝土中出现的不密实区图10脱空图11钢拱架后出现的空洞异常6.提高检测精度的措施⑴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。⑵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。⑶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