地质雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用

2005年第11期

铁　道　建　筑

Railway Engineering

文章编号:100321995(2005)1120031203

地质雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用

梁缄鑫

(中铁二十局集团第四工程有限公司,山东青岛　266101)

摘要:结合渝怀线施工实际,针对隧道衬砌施工质量难以控制的现状,利用不同介质之间的介电常数差异,应用地质雷达检测衬砌质量缺陷的类型以及空间形态,提出了有效的治理方法。

关键词:隧道衬砌　地质雷达　质量　检测

中图分类号:U45613+1　文献标识码:B

1　问题的提出

目前在国内已建成的隧道中,常见衬砌背后脱空、局部不密实等质量问题,给施工和运营造成安全隐患。因此必须在施工过程中及时掌握衬砌厚度是否符合设计要求、衬砌有无缺陷等情况,并及时进行处理。

国内检查隧道衬砌厚度的传统方法是钻孔,不足之处是:①利用钻孔无法对整座隧道的施工质量进行详尽、全面、准确的调查。②易打穿防水板,人为形成渗漏水的通道。③对衬砌局部结构具破坏性。

2　地质雷达检测优势

地质雷达检测技术具有的优势有①高分辨率:可达数cm;②无损性:检测过程是对隧道衬砌进行“CT”似的扫描;③高效率:图象直观,工作周期短;④抗干扰能力强,可在各种环境下工作。

可以方便快捷地获得衬砌中存在的脱空、欠厚和不密实等缺陷的详尽资料,可根据检测结果及时调整和改进施工工艺,有针对性地对缺陷采取处理措施并复检。

3　应用实例

311　隧道衬砌构造

隧道衬砌根据地质情况及断面几何要素,其基本形式一般为:围岩+(初期支护)+(防水层)+衬砌(二次衬砌)。为保证隧道能在设计年限内安全使用,要求衬砌与围岩(二次衬砌、防水层、初期支护、围岩4层间)密贴。事实上,施工中由于开挖、防水板挂设等因素尤其是衬砌工艺,极易在衬砌背后形成脱空等质量缺陷,特别是拱顶。如何对其进行准确检测,消除质量隐患是一个迫切需要解决的问题。

312　检测方法

采用美国劳雷公司生产的SIR2000型地质雷达, 400MH z天线,按照“规范”确定测线,依据经验值初选各参数,并利用打孔实测进行参数修正,以保证检测数据的可靠性和精度。

31211　岩土及混凝土的电磁波传播特性

电磁波在传播过程中,其相速由相位常数α决定。当波在空间传播一个波长时,相位相应改变2π,即αλ=2π,则相速v=λf=2πΠαf=ωΠα。

在无损耗的非磁性介质中α=ωεμ

,

相速度v

=1Πεμ0=CΠε,式中v0为相速度,λ

为波长,f为电磁波频率,α为相位常位,ω为角频率,

ε为介质的介电常数,μ

为磁导率,C为光速。

根据大量的测试结果对比研究,常见介质的相对介电常数和波速见表1。

表1　常见介质的相对介电常数和波速介质εvΠ(mΠns)介质εvΠ(mΠns)空　气10.30淡　水800.033

海　水800.01干　砂3～50.150

饱和砂20～300.06石灰岩4～80.120

泥　岩5～150.09粉　砂5～300.070

粘　土5～400.06PVC塑料30.160

混凝土7～100.12金　属3000.017

花岗岩4～60.13冰3～40.160

沥　青3～50.13～0.18砂　岩40.150

31212　参数选择

1)天线频率选择

在混凝土中,无线电波并不能贯穿很深,无线电波在能量吸收材料中的传播是以指数形式减少的,并且,

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很快就探测不到了。高频可保证高精度,低频可增加探测深度。实际检测过程中,在满足检测精度的前提下,根据混凝土衬砌的厚度尺寸,选用400MH z 天线即可满足要求。当需要较高分辨率时,可用900MH z 天

线。也可根据公式计算选用:天线频率f =150ΠX ε(MH z ),X 为需达到的空间分辨率(m );ε为介质的介

电常数。

2)时窗W 的选择

时窗选择由最大的测试深度d max (m )和混凝土的波速v 决定即W =113d max Πv ,根据国内外经验,在民用隧道工程检测中,时窗一般选40～60ns 为宜。

3)扫描频率

SIR2000型地质雷达扫描频率有24次Πs 、32次Πs 、48次Πs 、64次Πs 等。一般要保证识别异常体,在其直径

范围内有三次以上的扫描就可以发现识别。检测过程中一般选32次Πs 的扫描频率,天线行进速度以6km Πh (成人正常步行速度)为宜。31213　测线

根据规范要求,铁路隧道检测选拱顶、左右起拱线及边墙轨顶高程上1m 处5条线中的5条或3条,拱

顶为必测线,起拱线和边墙若选一侧时,每300m 换边

一次。313　实施检测

检测前,应做如下工作:①于边墙上每隔5m 做里程标记,整50m 做标注里程;②在汽车上搭设简易检测架;③清理检测段铺底,保证行车平稳。

检测时,由2～3人,将天线密贴于衬砌表面,匀速移动,由工作人员准确判断天线位置并提示主机操作人员在主机上标记,以保证天线所处位置与主机标示里程一致。

每次检测结束时,根据检测图像,选定2～3个点打眼实测混凝土厚度、空洞高度等数据,以检验测试结果。314　检测图像

实测图象坐标横轴为距离(m ),纵轴为基建测试所选的时窗深度(ns )。

①衬砌背后存在的不密实(图1),图中椭圆内为不密实带。②衬砌背后脱空(图2),图中椭圆内为空洞

。

注:不同颜色表明波在遇到不同物性界面时的反射波强度。

图1　衬砌背后存在的不密实

315　参数修正

为了确保检测精度,现场需采用打眼的方法,实测若干数据。一般打眼最少选两点,间距1m 或015m ,以避免因里程误差引起的误差。

图象及现场数据采集完成后,首先根据公式Z =tC

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ε(式中的Z 为介质厚度(钻孔点实测的混凝土厚度),t 为电磁波的双程旅行时间)进行反演,不断调整混凝土的介电常数ε的值,不断拟合使已知点的混凝

土厚度与钻孔实测值相一致,这时的介电常数值即为所求值(经验常数在7～10之间)。然后,用该介电常数代表整个检测段内的混凝土介电常数,再来正演求得其它未知的混凝土厚度,从而得出检测结果。

4　检测结果

根据现场采集的雷达图象,需对波形进行均一化、滤波、时深转换、层位追踪等过程的处理,结果见检测图表(见图3)。

23 铁　道　建　筑N ovember ,2005