隧道衬砌地质雷达无损检测技术

隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术

1 前言

1.1工艺概况

铁路隧道衬砌是隐蔽工程，用传统的目测或钻孔对其质量进行检测有较大的局限性；应用物理勘探的方法对隧道衬砌混凝土进行无损检测，可取得快速、安全、可靠的效果。

1.2工艺原理

电磁反射波法（地质雷达）由主机、天线和配套软件等几部分组成。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，当发射天线向被测介质发射高频脉冲电磁波时，电磁波遇到不均匀体(接口)时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到探测识别目标物体的目的(图1)。

图1 地质雷达基本原理示意图

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可据下式算出异常介质的埋藏深度H：

H V T

=•∆2 (1)

式中，V 是电磁波在介质中的传播速度，其大小由下式表示：

V C =ε (2)

式中，C 是电磁波在大气中的传播速度，约为3.0×108m/s ；

ε为相对介电常数，不同的介质其介电常数亦不同。

雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表示为：

212

1εεεε+-=r (3)

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。电导率越高，穿透深度越小；频率越高，穿透深度越小。

2 工艺特点

电磁反射波法（地质雷达）能够预测隧道施工中衬砌的各种质量问题，分辨率高，精度高，探测深度一般在0.5m ～2.0m 左右。利用高频电磁脉冲波的反射，中心工作频率400MHz/900 MHz/1500 MHz ；

采用宽带短脉冲和高采样率，分辨率较高；

采用可调程序高次迭加和多波处理等信号恢复技术，大大改善了信噪比和图像显示性能。

（1）操作简单，对工作环境要求不高；

（2）对衬砌隐蔽工程质量问题性质判断一般精度较高，分辨率可达到2～5cm ，检测的深度、结构尺寸以及里程偏差或误差小于10%，缺陷类型识别准确度达95%以上；

（3）通过专业的RADAN 6.0分析软件，专业的技术人员可以迅速的完成数据处理等。

3 适用范围

地质雷达有其适用范围和适用条件，目标体与周围介质是否存在足够的电性

差异，是探测工作是否有效的前提，这种电性差异就是介电常数；应根据不同的检测对象和检测要求选用不同的天线类型；适用条件，探测的目标体与周围介质有较大的介电常数差异并具有较好的反射条件；上覆层导电性较弱；目标体具有一定的体积，引起的异常有一定的强度；具有一定的探测对比资料。

该技术适用于隧道衬砌质量施工过程控制和竣工验收的无损检测。

4 主要引用标准

《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB 10753-2010）

《铁路隧道工程施工质量验收标准》TBl0417-2003

《铁路隧道衬砌质量无损检测规程施工规范》（TB10223-2004）

《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2004）

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）

《云桂铁路石林隧道地质雷达无损检测实施细则》

云桂铁路石林隧道相关设计图纸以及相关施工资料。

5 施工方法

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。

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。

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、需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1m。

5、提前准确标记检测位置里程，提前采用红油漆每隔5m做一个标记，标记高度为轨面或路面上1m左右；现场检测时标记为5m/单标的里程标记方式；记录标记里程与现场标记里程允许误差±10cm。

6、测线布置应符合下列规定：

隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主，环向布线为辅（存在问题地段需要加密检测时布置环向测线）。雷达测线横断面布置如图2。

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；

环向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距5～10m；

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；

三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。

7、检测前，应先搭建隧道衬砌雷达检测台车或采用检测车，以便天线能到达检测测线位置。雷达检测台车现场检测方式见图3。

8、现场要求准确记录检测测线的高度和水平位置，准备受检隧道设计衬砌厚度(其中边墙衬砌设计厚度按内轨顶面以上1.0m计)，格栅、拱架设计区段及间距，围岩类型等资料，供现场数据采集参数设置和后期资料处理使用。

9、雷达天线频率的选择及测线的布置

根据以往进行地质雷达检测的经验，采用高频天线检测精度较高，但测量范围较小，采用低频天线检测精度较低，但测量范围较大。因此，针对本次检测的内容，决定采用400MHz或900MHz的雷达线6条测线。在现场利用工程检测车以小于5公里/小时的车速进行检测。对于有疑问处，采用钻芯取样进行破检检测。

图2 雷达测线横断面布置图

检测车

图3 现场检测方式示意图

10、介质参数的标定

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。

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。

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）标定结果应按下式计算：

2)23.0(

d

t r =ε 9102⨯=t d ν 式中 r ε——相对介电常数

v ——电磁波速（m/s ）

t ——双程旅行时间(ns)

d ——标定目标体厚度或距离（m ）

。