地质雷达无损检测方案隧道2

地质雷达无损检测方案（隧道） 1检测目的：
检测隧道衬砌厚度、衬砌背后的回填密实度和衬砌内部钢架、钢 筋等分布，评价隧道衬砌施工质量。

2检测仪器：
隧道衬砌质量检测用美国SIR-4000型地质雷达系统（见下图）， 其特点与路基挡墙检测雷达相同。

2.1地质雷达主机技术指标应符合下列要求:
系统增益不低于150dB;
信噪比不低于60dB ；
模/转换不低于16位；
信号叠加次数可选择；
采样间隔一般不大于0. 5ns ；
SIR-4000
便携式高性能I S 地质透视仪I
美国SIR-20型地质雷达系统
实时滤波功能可选择；
具有点测与连续测量功能；
具有手动或自动位置标记功能；
具有现场数据处理功能。

2. 2地质雷达天线可采用不同频率天线组合，技术指标应符合下列要求：
具有屏蔽功能；
最大探测深度应大于2m；
垂直分辨率应高于2cm o
3检测方法及原理：
地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。

其工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接受天线所接收。

高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。

地质雷达具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。

现场检测时地质雷达的发射天线和接收天线密贴于待检表面，雷达波通过天线进入混凝土以及相应介质中，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等产生反射，接收天线收到反射波，测出反射波
的入射、反射双向走时，就可以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。

D= V ×∆t∕2
式中：D——天线到反射面的距离；
V一一雷达波的行走速度；
∆t一一雷达波从发射至接收到反射波的走时，用ns计。

现场采集的数据要经过滤波、去噪、均衡等处理，可用时间剖面图表示，其中横坐标记录了天线在地表的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。

这种记录能准确描述测线下方各反射界面的形态。

其工作原理如下图。

地质雷达探测原理示意图
地质雷达法对隧道衬砌以及衬砌背后是否存在脱空进行无损检测，其方法原理如下：地质雷达主机通过天线在隧道衬砌表面向内部发射频率为数百兆赫的电磁波，当电磁波遇到不同媒质的界面时便会发生反射与透射，反射波返回衬砌表面，又被接收天线所接收（发射与接收为同一天线）。

此时雷达主机记录下电磁波从发射到接收的双
程旅行时to因为电磁波在衬砌内的传播速度V可由已知衬砌厚度点测定出来，所以可由深度D= V∙t∕2式求出反射面的深度即衬砌厚度。

此外，根据雷达图像上反射波的强弱、频率特及变化情况，确定衬砌背后是否存在脱空。

此外，根据雷达图像上反射波的强弱、频率特征及变化情况，确定衬砌背后是否存在脱空。

检测原理见下图。

衬砌厚度与空洞检测原理图示意图
在地质雷达法检测中，电磁波通常被近似为均匀平面波。

其传播速度在高阻媒质中取决
于媒质的相对介电常数£「，即:
式中：C = O.3 m/ns；为媒质的相对介电常数。

电磁波传播在遇到不同媒质界面时，其反射系数为:
检测结果原则上每5米在拱顶、左、右拱腰、隧底以及边墙分别给出检测结果数值，以实际桩号列表记录。

定性描述检测段脱空分布
情况，对于明显脱空区给出起止桩号、脱空区衬砌厚度。

对于脱空或空洞的描述分为较小、较大两类，较小脱空是指衬砌与初期支护间脱空高度2cm〜5cm,较大脱空是指衬砌与初期支护间脱空高度超过5cmo对于脱空的高度因脱空区域中空气的含水情况不同导致介质介电常数差别较大，因此电磁波在介质中的传播速度差别也很大，所判读的脱空高度仅作为估计值供参考。

当衬砌密贴时，在地质雷达图像的上部，一般反射波振幅不强、同相轴相对比较连续的第一组波形即为初衬界面的反射信号。

由于初衬混凝土与隧道围岩之间的介电常数差异不大，当衬砌与隧道围岩之间密贴、无脱空时，地质雷达不会有特别强的反射信号，在地质雷达图像中表现为振幅较弱的界面反射信号（无多次波），甚至没有界面反射信号。

衬砌界面判识后输入正确的介电常数值，即可由计算机自
动计算得出衬砌厚度值，厚度的计算公式为D = 0.5C∙t∕H∕2。

下图为雷达检测的无脱空的初衬界面图像。

隧道衬砌界面雷达检测图像
某隧道衬砌背后脱空的信号判识及地质雷达图像：当衬砌背后出
现空洞时，由于空气与混凝土的介电常数差异较大，所以初衬与围岩之间若有明显的空隙或空洞（脱空）时，地质雷达会有明显的强反射信号。

如下图所示。

衬砌空洞界面雷达检测图像
4现场检测流程:
4. 1施工准备:
4. 1.1检测前的准备工作:
收集隧道工程地质资料、施工图、设计变更资料和施工记录；
进行现场调查，做好测量里程标记。

检测时应遵守有关安全规定，配备必要的安全防护人员及设备。

4. L 2检测设备、照明机具工作电源要保证电量充足，能够保证一天的正常使用。

4. L 3雷达主机、显示器、天线、电缆等设备之间连接良好，设备工作正常。

4.1. 4需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1唳 4. 2测线布置:
4. 2. 1隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主，横向布线为辅。

纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条;横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距8〜12m；采用点测时每断面不少于6个点。

检测中发现不合格地段应加密测线或测点。

4.2.2隧道竣工验收时质量检测应纵向布线，必要时可横向布线。

纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰和左右边墙各布1条; 横向布线线距8〜12m；采用点测时每断面不少于5个点。

需确定回填空洞规模和范围时，应加密测线或测点。

4. 2. 3三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。

4. 2. 4测线每5〜IOm应有一个里程标记。

4.3介质参数的标定：
4. 3.1检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道应不小于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。

当隧道长度大于3km、衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数。

4. 3. 2标定可采用下列方法：
在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；
在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；
钻孔实测。

4. 3. 3求取参数时应具备以下条件
标定目标体的厚度一般不小于15cm,且厚度已知；
标定记录中界面反射信号应清晰、准确。

4. 3. 4标定结果应按下式计算：
式中£ ------ 相对介电常数
v---- 电磁波速(m∕s)
t——双程旅行时间(ns)
d一一标定目标体厚度或距离(m)。

4. 4测量时窗及扫描样点数的确定：
4.4.1测量时窗由下式确定：
式中Xt------ 时窗长度(ns)；
ε---- 相对介电常数
α——时窗调整系数，一般取L 5〜2.0；
4.4.2扫描样点数由下式确定：
S = 2∙ΔT√∙K×1()-3
式中S扫描样点数；
△ t——时窗长度(ns)；
f-——天线中心频率(MHz)；
K-一一系数，一般取6〜10。

4.5操作要点:
1. 5. 1测量前应检查主机、天线以及运行设备，使之均处于正常
状态；
4. 5. 2测量时应确保天线与衬砌表面密贴（空气耦合天线除外）；
5. 5.3检测天线应移动平稳、速度均匀，动速度宜为3〜5km∕h;
6. 5. 4记录应包括记录测线号、方向、标记间隔及天线类型等；
7.5.5当需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1m；
8. 5.6应随时记录可能对测量产生电磁影响的物体（如渗水、电缆、铁架等）及其位置；
9. 5. 7应准确标记测量位置；
10.. 8纵向布线应采用连续测量方式，扫描速度不得小于40道（线）/s；特殊地段或条件不允许时可采用点测方式，测量点距不得大于20 cm o
5数据处理与解释：
5.1原始数据处理前应回放检验，数据记录应完整、信号清晰，里程标记准确。

不合格的原始数据不得进行处理与解释。

6.2数据处理与解释软件应使用正式认证的软件或经鉴定合格的软件。

7.3数据处理与解释可采用下列流程：
地质雷达数据处理流程图
5.4数据处理应符合：确保位置标记准确、无误；确保信号不失真，有利于提高信噪比。

5.5解释工作应符合以下要求：
5.5.1解释应在掌握测区内物性参数和衬砌结构的基础上，按由已知到未知和定性指导定量的原则进行；
5.5.2根据现场记录，分析可能存在的干扰体位置与雷达记录中异常的关系，准确区分有效异常与干扰异常；
5.5.3应准确读取双程旅行时的数据；
5.5.4解释结果和成果图件应符合衬砌质量检测要求。

5.6衬砌界面应根据反射信号的强弱、频率变化及延伸情况确定。

5.7衬砌厚度应由下式确定：
式中d——衬砌厚度（In）；
£-- 相对介电常数；
t——双程旅行时间（ns）；
V ----- 电磁波速（m∕s）；
5.8衬砌背后回填密实度的主要判定特征应符合下列要求：
5.8.1密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号；
5.8.2不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散；
5.8.3空洞：衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

5.9衬砌内部钢架、钢筋位置分布的主要判定特征应符合下列要求：
钢架：分散的月牙形强反射信号；
钢筋：连续的小双曲线型强反射信号；
6无损检测质量的检查及评定：
6.1采集数据检查工作应符合下列规定：
6.1.1地质雷达法的采集数据检查应为总工作量的5%,检查资料与被检查资料的雷达图像应具有良好的重复性、波形基本一致、异常没有明显位移。

6.1.2声波法的采集数据检查应为总工作量的5%,允许相对误差为±10%,其计算公式为：
6 = —2 τ⅛~TTS × Ioo%
n M(4 +
式中
一一相对误差；
δ
t一一基本观测值；
t i一一检查观测值。

6.2检查资料质量评定应符合下列规定：
6.2.1衬砌背后回填密实度和衬砌混凝土强度的检查点相对误差小于10%为合格，衬砌混凝土厚度的检查点相对误差小于15%为合格；
6.2.2合格的检查点数量大于总检查点数量90%为合格。

6.3当检查资料的质量不满足上6.1条、6.2条要求时，检查工作量应增加至总工作量的20%；仍不合格时，则整个检测工作必须重新进行。

检查资料应与检测报告一起提交。