地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

摘要:地质雷达具备快速、高效、分辨率高等优点，它作为一种新型无损检测设备,迅速在各个行业得到推广。文章在阐述地质雷达工作原理的基础上,介绍了地质雷达检测参数设置、工作方法,并结合工程实践对隧道衬砌检测中遇到的拱架与空洞、钢筋网、衬砌界面、不密实体、地下水等波形的特征加以分析总结。

关键词:地质雷达; 质量检测;隧道衬砌;无损检测

中图分类号：TN95文献标识码： A 文章编号：

这些年来随着我国经济发展水平的日益提高，对交通运输事业发展的要求也与日俱增。与此同时, 高等级公路隧道以及高速铁路隧道工程的数量也逐步增多。衬砌是隧道主承载结构,其施工质量的好坏对隧道的长期稳定和正常使用有着至关重要的作用。由于隧道建设周期长,运营量大, 成本高,因而对工程质量要求很高。因此,隧道衬砌质量检测是隧道施工过程中一个重要的施工环节。检测隧道质量的方法主要有超声波法、垂直反射法、回弹法、钻孔探测法、浅层地震法等,这些方法工作量大,效率低,一般在检测时每千米取几个抽样点,代表性差,而且对防水要求极为严格的隧道衬砌结构造成破坏,不能满足发展的需要。地质雷达技术以其经济、操作方便、无损、分辨率高、抗干扰强、可实现连续测量等特点被广泛应用于隧道衬砌质量检测中。通过简要论述地质雷达的工作原理,并结合实例介绍地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用。

1、 地质雷达工作原理

地质雷达是通过宽带时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波,电磁波在地下传播过程中遇到不同电性介质界时产生反射,由接收天线接收介质反射的回波信息。是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。

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2、 地质雷达检测参数

地质雷达检测时的参数设定是否符合紧切关系到检测的效果。主要的检测参数包括: 采样率、天线中心频率、时窗、发射天线与接收天线的间距、测点点距。

1）时窗选择

W=1.32dmaxM(2)

其中: M为介质中电磁波的速度(单位:m /ns)dmax为探测深度(单位:m);。

2）采样率的选择

采样率(时间采样间隔)是记录的反射波采样点之间的时间间隔。按照尼奎斯特采样定律采样频率至少要达到天线中心频率的3倍。为了使记录波形更完整,建议采用连续测量工作方式，采样率取中心频率的6倍。

3、 地质雷达检测工艺[

1） 布置测线

检测隧道之前,一般沿隧道拱顶、左拱腰和右拱腰,以及左边墙和右边墙做5条测线。布线时要注意周围的详细情况,应该远离地面噪声源,剖面线必须能提供测区内充分的细节,并使工作量最小。注意，对于特殊的检测位置要特殊布线才能达到需要的精度。

2） 标定里程

当雷达天线扫过检测剖面时, 雷达设备不能自动地在图谱上标定出检测位置。主机采集到的数据是一系列平滑、连续的彩色图谱。因此,需在检测前对隧道作出里程标识。一般是从隧道的进口处开始,每5m用醒目的红色油漆在隧道的边墙上作出一个/o0标识。检测中,当天线扫描过该标识时,通过连接在主机上/Mark0端口上的打点器打点,每按动一次打点器,在与天线位置相对应的图谱上标出一条明亮的/Mark0线,如此才能准确地找出图谱上各检测点对应的实际里程位置。

4、 地质雷达典型图像分析

1）空洞由于围岩、混凝土与空气的电性差异较大,如果衬砌与围岩之间有明显的空隙,电磁波在混凝土与空气、空气与围岩间传播时,上下两个界面会产生两次强反射,在雷达剖面图上就会呈现一组开口向下的/双曲线0。衬砌界面混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩有明显的介电常数差异,衬砌底面与围岩有明显的界线出现在采集到的彩色图谱上。因为围岩的开挖面总有或大或小的不平,所以衬砌的界面一般为一条起伏的曲线,易被发现。

2）地下水往往是沿岩体中的裂隙、节理向隧道渗流,水与围岩介质之间的介电常数差异很大,水的相对介电常数最大为81,当岩体含水量较大时,介质的介电常数增大,而电磁波在介质中的传播速度则会降低,这样反射波表现较强的正峰异常,同时出现强反射;有时也会产生散射、绕射现象,导致波形紊乱。地下水渗入到衬砌中雷达图雷达天线向混凝土中发射电磁波,由于孔洞、钢筋、混凝土的介电常数不同,使得微波在不同介质的交界处发生反射,并由混凝土表面的天线接收,根据发射电磁波至反射波返回的时间差与混凝土中微波传播的速度来确定反射体距表面的距离,检测出缺陷位置的深度、混凝土内部的钢筋,并将检测结果以图像形式显示出来。

3）不密实体隧道衬砌回填不密实,就会有多个界面对电磁波多次反射,不密实的混凝土体在地质雷达剖面图上同相轴错断, 波形杂乱。衬砌密实度好的混凝土的雷达波形较平,衬砌密实度较差的雷达的波形起伏较大,衬砌背后混凝土不密实的波形和正常波形的衬砌背后混凝土不密实的图谱。衬砌层或回填层中的不密实处体现在雷达剖面图上出现零乱、不连续的强反射能量团块(条带)状异常。

4）拱架与钢筋网

地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用电磁波遇混凝土内钢筋格栅拱架及钢拱架时,在雷达剖面图上就会呈垂直线状的强反射信号特征。由于金属的介电常数很小,对雷达波的反应特别敏感,故钢筋对电磁波产生连续点状强反射信多次波的出现有利有弊,对信号有一定的干扰,但同时又加强了反射信号,使得钢筋网更容易辨认。实践表明,钢筋反射链中第一个反射信号的弧面顶部就是该钢筋的埋深。如果钢筋与混凝土之间黏接不好,留有缝隙,当雷达波从钢筋的表面反射回来以后,就会在空气缝隙中来回振荡形成多次波。

5）由上可知，地质雷达应用的前提条件是存在电性差异。而隧道结构的层状结构和各层之间介电常数因为存在明显差异,所以能形成良好的电磁波反射界面,这就是地质雷达符合隧道结构检测的重要原因。

5． 结语

(1)地质雷达检测隧道衬砌质量, 既符合精度方面的要求,又避免了在衬砌上钻孔，其应用对在建隧道和运营隧道都是可行的。

(2)地质雷达是一种正不断发展的技术,对隧道衬砌质量的探测效果良好,它能够做到无损勘测，但不可能百分百完美。应结合地质、钻探和其他资料进行,对雷达图像异常情况的解释判断,并需要积累大量的实际经验,方能准确把握。对地质雷达探测图像的分析、处理和解释,应结合钻探、地质和其他资料进行,并注重不断积累实践经验。

(3)由于在探测过程中经常会有干扰因素存在,如掌隧道台车、子面不平、和装载机等施工因素。所以，在地质雷达图像的处理分析过程中,要做到正确识别干扰,以得到正确的分析结果。能否准确、高效地对已有隧道及在建隧道衬砌进行健康状态检测,是判断一种检测方法好坏的标准。地质雷达具备连续、无损地对被测目标实施扫描,结果显示直观, 操作简便,后处理软件功能强大, 能自由地点测和普查,测试速度快,探测测点密度不受限制, 探测精度高,可在较短时间内完成相当巨大的隧道衬砌健康状态检测任务等优点,因此在铁路隧道衬砌健康状态检测中获得越来越广泛的实践。

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