隧道衬砌质量检测中探地雷达图像特征研究

胡 晓,陈厚德,吴宝杰

(1.舟山市交通工程质量监督局检测中心,浙江 舟山 316000;2.浙江省建筑科学设计研究院,杭州 310012)

0 引 言

近几年来,随着国家对基础设施建设的加快投入,我国交通建设事业取得了快速的发展。目前,我国已经成为世界上隧道工程数量最多、发展最快的国家。由于受地质情况和施工过程中诸多因素的影响,隧道容易出现衬砌开裂、渗漏,衬砌混凝土厚度不足、空洞、强度不够,衬砌脱空、回填不密实,钢筋网、钢拱架错断变形等工程质量问题,这些问题如果得不到及时处治,必然会影响隧道的正常运营和隧道衬砌的耐久性[1]。

因此,及时准确地发现在建隧道质量问题,为及时有效地对隧道进行加固和修复提供依据,是工程检测技术人员必须面临的一个课题。传统的隧道衬砌检测方法,如开孔或开槽取样检测,不仅效率低、代表性差、偶然性大,而且破坏了衬砌的整体性。作为非开挖岩土工程探测技术,探地雷达技术在隧道衬砌质量检测中具有快速、无损、连续检测,并实时显示检测剖面等优点,能及时、快速地发现衬砌混凝土的质量问题,为保证工程质量及其评价提供了依据[2]。

1 探地雷达技术

在隧道衬砌质量检测中,探地雷达是用高频电磁波以宽频短脉冲形式,由发射天线向混凝土中发射,当遇到电性差异的目标体时,电磁波便发生反射,由接收天线所接收。电磁波反射信号的强度主要取决于上、下介质的电性差异,电性差异越大,反射信号越强,反之信号越差。对隧道混凝土介质而言,电磁波由空气进入二衬的混凝土层,会出现强反射;同样,当电磁波由二衬传播至初衬,继而由初衬传播到岩层时,如果交界面处贴合不好,或存在脱空等施工质量时,由于不同介质的介电常数差异,亦会导致所采集的雷达记录上相位和幅度的变化,由此可确定衬砌厚度和发现施工缺陷。当衬砌内部存在着如裂缝、空洞、混凝土胶结较差等质量问题时,由于这些部位与周围完整混凝土之间也存在较大的电性差异,也会使雷达信号产生较强的反射。因此,根据接收到的反射波旅行时间、幅度和波形等信息,可探测隧道衬砌层结构与缺陷。

目标体到测线的垂直距离为[3-4]:

式中:d为目标体到测线的垂直距离,m;V为电磁波在介质中的传播速度,m/ns;T为记录的反射电磁波双程走时,ns;X为发射天线与接收天线之间的距离,m。

其中:C为光速,取0.3 m/ns;ε为介质相对介电常数。

在隧道衬砌检测中,介质主要为混凝土、空气、水和围岩,各介质的相对介电常数经验值如表1所示[5]。

表1 常见介质的相对介电常数

2 数据采集

衬砌质量检测一般在拱顶、拱腰和边墙位置共布置5条测线 (如图1)。天线沿测线紧贴隧道衬砌表面以里程触发方式进行野外实测,对怀疑地段进行复测,以确保资料完整、可靠,另外测线应穿过标定点、避开障碍物或干扰区,以提高数据采集的质量[6]。

图1 测线布置图

现场检测采用加拿大探头与软件公司生产的pulseEKKO PRO型探地雷达,结合场地环境、探测深度和分辨率,选择中心频率为500 MHz和1 000 MHz的屏蔽天线,两者优化组合,尽可能地满足探测深度和分辨率的要求,提高解释精度,采集参数设置如表2。

表2 采集参数设置

3 图像特征分析

经过对原始采集数据处理、分析与计算,得出探地雷达隧道衬砌检测的成果图。下面对检测过程中遇到的不同雷达图像特征进行深入的研究与总结。

3.1 衬砌质量正常

衬砌质量完好 (无钢筋网和钢架)的雷达信号同向轴连续且呈水平状 (如图2)。

图2 衬砌质量正常剖面

3.2 衬砌脱空

脱空是隧道初衬与围岩间以及初衬与二衬间形成的脱离区或空间,多出现于拱顶及拱腰部位,沿雷达测线方向长度较长,且厚度不等,在雷达剖面图上表现为成层状的强反射信号特征,如图3在二衬与初衬之间存在楔形状脱空。

图3 衬砌脱空剖面

3.3 施工缝三角形空洞

雷达信号遇到施工缝位置的空洞有时会形成三角形强反射,见图4。三角形反射的顶部反射能量最强,为空洞区;底部强反射区变宽,但充填少量混凝土,为疏松区。

图4 施工缝三角形空洞剖面

3.4 钢拱架

衬砌内钢支撑是承载的主要结构,钢支撑的铺设必须满足设计要求,才能达到设计承载力。钢拱架异常为清晰的弧形强反射异常,从图中可判识钢拱架的间距、根数和埋深,图5可见一排钢拱。

图5 钢拱架剖面

3.5 衬砌背后围岩空洞

围岩中存在的隐伏空洞对衬砌质量的影响较大,往往是地下水汇集的地方,在雷达剖面上表现为强反射,反射同相轴呈绕射弧形,见图6。

图6 衬砌背后围岩空洞剖面

3.6 钢筋网

雷达信号遇到钢筋网会形成顶底小弧形强烈反射,沿垂直方向成密集型,较难区分钢筋的间距和数量,如图7所示。

图7 钢筋网剖面

3.7 衬砌不密实

不密实是指混凝土结构疏松,密实程度差,有蜂窝状孔隙或砂浆不饱满等现象,在雷达图像上主要表现为零乱的团块状较强反射异常,信号波形较为紊乱,见图8。

图8 衬砌不密实剖面

3.8 预埋件

管状预埋件在雷达图上表现为孤立的强反射弧形,且弧形的对称性极强,见图9。

图9 预埋件剖面

4 结 语

探地雷达在隧道衬砌质量检测中具有数据采集快速、图像直观、无损性等突出优点。探地雷达资料解释精度的高低,不但与数据采集和数据处理相关,而且对使用者的经验要求较高,取决于使用者对不同类型的雷达图像特征的掌握程度。因此,全面系统地研究不同类型的雷达图像反射波组特征,对于提高探地雷达资料解释的精度和可靠性,具有重要的意义。

[1]陈洪凯,李明.公路隧道健康诊断与控制综述[J].重庆交通学院学报,2006,25(4):4-8.

[2]李二兵,谭跃虎,段建立.地质雷达在隧道工程检测中的应用[J].地下空间与工程学报,2006,2(2):267-270.

[3]A.P.Annan.Ground Penetrating Radar Applications Principles,Procedures&Applications[M].Mississauga:Sensors&Software Inc,2003:177-212.

[4]李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994,27-34.

[5]梁缄鑫.地质雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道建筑,2005,(11):31-33.

[6]TB 10223-2004,铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京:中国铁道出版社,2004.