隧道衬砌质量检测

隧道衬砌质量检测
白雪冰孔祥春
一、工程概况
北京鑫衡运科贸有限责任公司工程检测部于二○○五年三月十一日至二十一日对某公路隧道的衬砌，进行无破损法检测，目的是检测二衬结构的厚度、衬砌内部及背后缺陷分布情况。

因本次检测的具体情况，经业主单位研究协商，确定本次检测在隧道内布设5条雷达纵测线，进行全线检测.
二、工程地质、水文地质概况
隧道东线出口段K79+816~K82+816段3000m、续建段K74+280~K75+180段900米以及西线YK73+835~78+335段4500米隧道穿越地段岩性以含绿色矿物混合花岗岩和混合片麻岩为主，间夹蚀变闪长岩，霏细岩及花岗伟晶岩脉。

以上三段隧道共穿越大小断层13条，围岩类别变化频繁，地质结构复杂、通风排烟困难、岩爆频繁是本工程的特点和难点。

三、检测内容及标准
1、检测内容：
(1)探地雷达检测二次衬砌厚度和衬砌内部及背后缺陷；
(2)初衬内部及背后缺陷；
2、检测标准:
(1)铁路隧道工程质量检验评定标准，TB10417－98；
(2)铁路混凝土与砌体工程施工及验收规范，TB10210－97；
(3)混凝土结构工程质量验收规范，GB50204－2002；
四、测线的位置
测线共五条，纵向布置在隧道衬砌表面，具体见以下示意图。

五、检测仪器设备基本原理
地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波（主频为数十至数百乃至数千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线传入地下，经地下地层或目的物反射后返回地面，被另一天线接收。

脉冲波旅行时间为T。

当地下介质的波速已知时，可根据测到的准确T值计算反射体的深度。

雷达系统的基本部分如下图：
电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。

不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。

地质雷达在勘查中的基本参数描述如下：
1. 电磁脉冲波旅行时
v z v x z t 2422≈+=
式中：z —勘查目标体的埋深； x —发射、接收天线的距离（式中因z>x,故X 可忽略）；v —电磁波在介质中的传播速度。

2. 电磁波在介质中的传播速度
r r r c c v εμε≈=
式中 c —电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns ）;r ε—介质的相对介电常数，r μ—介质的相对磁导率（一般r μ1≈）
3. 电磁波的反射系数
电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：
2
122122
112221122)()()
()(εεεεμεμεμεμε+-≈
+-=
r
孤立体
地层
式中r — 界面电磁波反射系数；1ε—第一层介质的相对介电常数；2ε—第二层介质的相对介电常数。

4. 地质雷达记录时间和勘查深度的关系
t c vt z r
⋅⋅==
ε2121 式中z — 勘查目标体的深度；t — 雷达记录时间。

测试方法：
由于不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大。

此次检测的有效深度在3米以内，查找空洞、不密实体和脱空等，由于二衬，初衬及围岩的介电常数不同，且变化较大，选择500M 天线是适宜的。

综合场地的特点，我们选择CUII 主机,500兆屏蔽天线.采样频率为7300,样点数为480,65ns 的采集时窗，自动迭加，时间触发测试方式，时间间隔为0.1～0.3秒。

六、数据处理和解释
探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探测雷达剖面图。

地质雷达探测
资料的解释包括两部分内容，一为数据处理，二为图象解释。

由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。

另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。

因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像。

对于异常的识别应结合已知到未知，从而为识别现场探测中遇到的有限目的体引起的异常，以及对各类图像进行解释提供了依据。

图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。

图像解释是识别异常，这是一个经验积累的过程，一方面基于地质雷达图像的正演结果，另一方面由于工程实践成果获得。

只有获得高质量的地质雷达图像并能正确的判别异常才能获得可靠、准确的地质解释结果。

识别干扰波及目标体的地质雷达图象特征是进行地质雷达图像解释的核心内容。

地质雷达在地质和地表条件理想的情况下，可得清晰、易于解释的雷达记录，但在条件不好的情况下，地质雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号。

产生干扰信号的的原因很多，隧道常见的干扰有电缆、衬砌表面金属物体、天线耦合不好，地下异常的多次波等，干扰波一般都有特殊形状，易于辨别和确认。

（见图1）
图一 衬砌表面的钢拱架
图二 衬砌边墙上的避车洞造成的干扰
雷达图中可以看到衬砌表面的钢拱架形成的多次振荡干扰。

图中看到由于在有避车洞的地方天线没有与其耦合而形干扰。

图三二衬表面的管槽造成的干扰雷达波图四由于天线没有耦合好的干扰雷达波
图中有标记的地方显示的是由于二衬表面有管槽而形图中的黑筐内显示的是由于暂时离开了衬砌表面而形成的干
成了类似空洞的双曲线波形。

扰波
七、检测结果
本次检测工作结果如下：此次检测共5条测线，全长40310米，查清了初衬和二衬的缺陷位置和结构，以及二衬的厚度，有缺陷的典型雷达图像见以下附图。

图中红色线筐内表示的是初衬后的围岩内部有空洞现象存在。

图中红色线筐内表示的是初衬后的围岩内部有裂隙存在。

图中红色线筐内表示的是初衬背部有空洞存在
图中红色线筐内表示的是衬砌背部的围岩内还有隐患—蜂窝、空洞组织促在。

红色线筐内表示的是围岩内部的空洞。

红色线筐内表示的是初衬后可能存在的空洞。

图中红色线筐表示的是隧道二衬中的长约12米的内部脱空带。

八、结论和建议
用探地雷达做隧道质量检测是一项较为成熟的技术,目前在国内得到大量应用.可以说,雷达方法是隧道检测最有效和快速的方法.用探地雷达方法进行隧道质量检测,可以确定衬砌厚度,围岩和衬砌内的缺陷,探测钢筋和钢拱架等.
用雷达做隧道质量检测时,要根据检测需要选择合适的天线,其中最常用的是500兆天线,它的探测深度可以达到3~4米,基本可以达到探测混凝土和围岩的目的.如果只检测二衬厚度,可以用800兆或1000兆天线.
值得注意的是,在做二衬厚度检测时,如果衬砌做的很完美,二衬的界面是不太容易看出的(初衬和二衬的介质基本一样,不会有明显反射层).但我们总可以根据其缺陷(层间空洞、脱空、不密实等)来找到该反射界面.
在做初衬检测时,由于隧道表面凸凹不平,特别是地面也不平整,给雷达检测造成很大困难,此时要注意观察天线的工作状况(是否离开隧道表面,是否突然移动到另外的地方等),并在天线工作不正常处打标记,这样就不会产生误判.。