地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用

第37卷第4期2008年　5月
贵州工业大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF G U I Z HOU UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGY
(Natural Science Editi on)
Vol.37No.4
May.2008
文章编号:1009-0193(2008)04-0222-04
地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用
吴　刚
(贵州省桥梁岩土工程有限公司,贵州贵阳550008)
摘　要:在建隧道中,初期支护为主要受力结构,从而使得喷射混凝土层厚度检测显得十分必
要。

通过对地质雷达检测原理的论述,以及在都匀至新寨段公路改建工程塘打隧道初期支护
检测中的应用,对雷达波速的标定、雷达波形分析作了全面阐述。

关键词:初期支护;厚度检测;检测原理;雷达波速;波形分析
中图分类号:U455.39 文献标识码:B
0　前　言
自改革开放以来,国民经济持续稳定向前发展,国家对基础设施建设力度日渐加强[1],随着国家交通的不断发展,高速/重载铁路和高速公路分别是公路、铁路等交通发展的主方向,从而使得新建公路、铁路隧道的规模、数量逐年递增。

传统检测手段所进行的目测、打钻孔取芯、压水试验和钻孔声波[2]等检测方法已不能满足实际工程的需要,这就对隧道衬砌质量检测提出新的要求:要采用高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速评价的检测方法。

新奥法是目前我国隧道施工所采用的基本方法。

这种方法所修建的隧道,其喷锚初期支护作为主要受力结构,二次模筑混凝土衬砌主要作为安全储备和防水等用。

因此初期支护的喷射混凝土层厚度检测是十分重要的,但目前隧道衬砌检测中,因喷层薄(仅5-20c m),检测喷层厚度的不多,难度也很大。

地质雷达这一新的检测方法的推广应用正好解决了以上难题。

它采用高科技手段,以其高分辨率和高准确率,快速、连续且高效的无损检测方法很快得到人们的认可,人们在实际工程中的推广和应用,经过长期实践和不断发展,现已形成一套完整的检测系统。

1　检测原理
地质雷达是采用无线电波探测的一种技术,频率一般在5-2000MHz,对地下结构和埋藏物以及人造结构成像、地质雷达无损探测方法利用雷达波通过结构、构造物反射回来的波形差异进行分析处理检测对象。

一般运用于检测区域较大、检测对象复杂,要求检测精度适中,且检测速度较快的情况。

地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布。

地质雷达的发射天线向隧道初期支护喷混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波,电磁波遇到具有不同介电特性的喷混凝土与围岩界面时有部分返回,接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。

当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时,就能得到其内部介质的剖面图像。

根据接收波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料,可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数(图1).
脉冲波走时按式(1)进行计算:
t=4z2+x2/v(1) 式中:x值在剖面探测中是固定的;v值(m・ns-1)可以利用现成数据或测定获得,由上式可得目标体的深度值(m).
隧道衬砌与围岩的相对介电常数的对比决定分层是否“可见”。

当存在缺陷时,由于缺陷与良好衬砌或3收稿日期:2008-05-10
作者简介:吴　刚(1981-),男,贵州瓮安人,助理工程师,从事岩土工程检测及勘察工作。

围岩间的介电常数的对比差异,也使得缺陷“可见”。

2　检测实例
2.1　工程实例
2.1.1　工程概况
都匀至新寨段公路改建工程塘打隧道为一越岭隧道,隧道全长789m 、宽12.25m 、净高5.0m ,平面位于圆曲线上,圆曲线半径R =1100m ,隧道纵面位于-1.3%下坡段,路面设计高程在1060.89-1049.839m.考虑通风、照明、排水、运营管理设施所占空间等因素,采用拱顶净高7.5m 单心圆曲墙式截面为衬砌内空截面。

洞身深埋段采用复合式衬砌,Ⅱ、Ⅲ类围岩的喷混凝土厚度分别为15c m 、20c m ,且为网喷混凝土,为减少混凝土喷层的裂纹及裂缝、提高其抗渗性及抗冻性,在喷混凝土中掺入高分子复合纤维。

超前预支护采用φ42注浆小导管超前支护,超前预支护区域均设有格栅钢支撑。

图3　测线布置示意图
2.1.2　测线布置
为了较全面了解隧道初期支护喷混凝土厚度、初期支护与围岩
的接触状况(是否存在空洞或不密实情况),在隧道拱顶、左右拱脚
及左右边墙共布置了五条测线,详见图3所示。

2.1.3　检测要领
1)天线选择
频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高,精度较高,能量衰
减较快,探测深度较浅;频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率
低,精度相对较低,能量衰减较慢,探测的深度较深。

因此,选用天
线时,根据隧道初期支护喷混凝土设计的厚度及检测要求来确定天
线的频率,本次检测的天线频率为800MHz .
2)检测根据要求按图3设置五条测线,为了保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应,在隧道边墙上用红油漆每5m 作一个标记,标注里程以供核对,由于雷达天线沿隧道纵向进行检测时,其测线不是真正意义上的直线,而是蛇形前进的,所以,即使是采用里程轮,也应对记录的里程与实际里程进行核对。

将天线连接好后,使天线在相应测线位置紧贴隧道壁面,一切准备就绪后,操作仪器,沿测线方向作连续剖面测量,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 作一个标记,同时,应尽量使天线匀速移动。

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,以保证点位的准确。

3)速度标定
雷达波速是计算衬砌厚度的最重要参数。

因隧道衬砌的施工及用料情况不同,混凝土衬砌和喷射混凝土中雷达的传播波速有一定的变化范围,因此,现场实测雷达波速在衬砌中的走行速度是重要的数据参数。

速度标定常用的方法是:在隧道检测段钻取芯样确定该段隧道用料的波速,然后通过反算法,可以准确的得322第4期吴　刚:地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用　
到雷达波在该段初期支护介质中的波速。

得出该断面初期支护喷混凝土厚度的准确值,结合地质雷达图像分析得出的脉冲波走时,再对喷混凝土内的雷达波速进行标定。

2.2　地质雷达波形分析
原始的雷达检测资料在未经任何变换、滤波的情况下,是无法得出初期支护喷混凝土厚度、初期支护与围岩间接触状况的。

只有通过去除开始时间、去直流漂移、自动增益控制、背景去除、带通滤波、滑动平均等处理手段压制随机的和规则的干扰波,突出有用的信息等处理后的雷达图像,再通过对检测波形的能量堆积图、波形及振幅的变化规律的对比分析,才能对隧道初期支护喷混凝土厚度、初期支护背后是否存在空洞及不密实等情况进行综合评判。

2.2.1　初期支护结构
1)初期支护厚度
一般情况下,雷达波经发射天线发射后,最先到达接收天线的雷达波为空气直达波,紧接着为表面直达波,再为喷混凝土和围岩胶结面的反射波。

反射波能量与围岩和喷混凝土之间的物性差异有关,两者物性差异越大,反射波能量就越强,反之,其能量就越弱。

在地质雷达图像中振幅较强、同相轴比较连续的波就是喷混凝土和围岩界面的反射信号,在该界面上读取的即为喷混凝土厚度(见图5).
从图5中波形可知,在喷混凝土与围岩反射界面后的围岩明显分为两层,紧靠喷混凝土后面的是采用φ42注浆小导管超前预支护所形成的加固区,最后才是未受振动的围岩,这也是由于加固区与未受振动围岩间存在物性差异而反映出来的。

2)格栅钢支撑
当混凝土中存在钢筋时,将产生连续点状强反射信号;当混凝土中有钢拱时,将出现特别强的月牙形反射信号,每一信号表示有一钢拱;当混凝土中有格栅钢支撑时,格栅的信号与其形状有关,雷达波产生的反射
信号类似于倒写的W ,每一个这样的信号对应一榀格栅钢支撑(见图6).
2.2.2　初期支护与围岩接触情况
1)接触良好
无空界面是指衬砌背后无空隙,混凝土与围岩密贴较好,此时界面清晰程度取决于混凝土与围岩粘贴紧密程度以及介电常数差异大小,反射强度不是很大,信号较弱,但通过滤波处理和同相位追踪还是清晰可辨,并可通过雷达专用处理软件读出衬砌厚度。

由图5、图6的波形图可知,整个雷达图形中,存在明显的三层(初期支护喷混凝土、围岩加固区及围岩未振动区),喷混凝土与围岩接触良好。

2)存在空洞或不密实
当喷混凝土背后回填不密实,混凝土与围岩之间有空隙时,由于空气与混凝土介电常数差别较大,电磁波在喷混凝土与空气之间将产生强反射信号。

当空洞比较大时,围岩界面清晰可见,在地质雷达剖面图上主422　贵　州　工　业　大　学　学　报　(自然科学版)2008年
要表现为在喷混凝土层以下出现多次反射波,同相轴呈弧形,并与相邻道之间发生相位错位,且其能量明显增强。

通过对本次隧道喷混凝土检测的地质雷达剖面图分析知,喷混凝土背后不存在明显的空洞及不密实。

4　结束语
(1)初期支护是新奥法和喷锚构筑法修建隧道的主要受力结构,对其质量进行检测是十分重要的,利用地质雷达对隧道初期支护喷混凝土厚度的检测是能够实现的。

(2)利用地质雷达技术检测缺陷时,根据喷混凝土厚度选用合适的频率天线,除可以检测喷混凝土的厚度之外,还能探测到喷混凝土内的格栅支撑等,同时对喷混凝土背后存在的空洞、不密实等缺陷也能作出判别。

(3)要得出准确、可靠的检测数据,除波速标定外,将雷达剖面图与隧道实际里程之间的这位也是同样重要的,这样才能得出准确位置的可靠数据。

(4)地质雷达技术检测速度快、效率高,适合于现场的大面积快速检测。

参考文献:
[1]郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J ].铁道工程学报,2002,(2):74-75.
[2]魏　超,肖国强,王法刚.地质雷达在混凝土质量检测中的应用研究[J ].工程地球物理学报,2004,1(5):65-66.
[3]李大心.探地雷达方法与应用[M ].北京:地质出版社,1994.
Application of Geology Radar to the Quality Detecti n g O f Tunnel Pri m ary Support
WU Gang
(the B ridge and Geotechnical Engineering Co .,L td .of Guizhou Pr ovince,Guiyang 550001,China )Abstract:I n the p r ocess of building a tunnel,p ri m ary support is the main structure of accep ting f orce,s o the thickness checks of the concrete jetting is very necessary .This thesis thr ough the discussi on of the p rin 2ci p le of detecting geol ogy radar,and the app lies in the p ri m ary support detecting of Tangda tunnel ———the rebuilding p r oject of the highway fr om Du Yun t o Xin Zhai,expounded the calibrating of radar ’s wave ve 2l ocity and the analysis of radar ’s wave f or m comp rehensively .
Key words:p ri m ary support;thickness checks;checking p rinci p le;radar ’s wave vel ocity;analysis of ra 2dar ’s wave f or m 522第4期吴　刚:地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用　。