隧道质量无损检测中雷达波形分析与探讨

赵常要,邓新生

(1.中铁西北科学研究院有限公司工程检测试验中心,兰州 730070;2.劳雷工业有限公司,北京 100020)

隧道质量无损检测中雷达波形分析与探讨

赵常要1,邓新生2

(1.中铁西北科学研究院有限公司工程检测试验中心,兰州 730070;2.劳雷工业有限公司,北京 100020)

通过对不同衬砌类型下的衬砌密实性、拱架的特征波形做进一步地梳理和深入探讨,分析不同衬砌工况下空洞、拱架对应的主要判定特征;对衬砌结构划分类别,并对衬砌密实性、拱架的判定特征在不同衬砌工况下多条隧道雷达波形差异性进行分析和对比,总结出不同衬砌工况下的共性。在隧道二次衬砌内无钢筋布设时,空洞和拱架之间存在影响,但可以判定;在隧道二次衬砌内存在钢筋布设时,钢筋对背后的脱空和拱架具有屏蔽作用,影响雷达图像的判释。

隧道;无损检测;判定特征;探地雷达

1 概述

我国铁路、公路隧道事业的发展日新月异。如何对建成的隧道工程质量客观地、合理地、科学地作出准确的评价,是现阶段隧道工程界亟待解决的问题。探地雷达在隧道无损检测中相应规范较少,仅原铁道部发布了专门针对铁路隧道衬砌质量无损检测的规程[1],交通部、水利部等仅在施工规范或验收规范[2-4]中略有提及,缺少足够的深度,探地雷达在隧道质量检测中的工作很难用统一的标准进行衡量,多数仅靠检测人员的实践经验来判定,同时检测人员技术水平参差不齐,使用的设备良莠不分,隧道无损检测中出现误判、漏判在所难免。探地雷达图像本身存在着有效异常和干扰异常,如何准确区分图像中的有效异常与干扰异常是雷达检测工作的重点所在。规范中仅对密实、不密实、空洞、钢架、钢筋的主要判定特征进行了描述,虽然隧道质量检测方面的文章[5-10]已常见于报端,但多停留在隧道检测工作的如何实施,对雷达图像的分析不够深入,很难满足隧道复杂衬砌状况下雷达图像分析工作的需要,而且隧道无损检测中遇到的情况往往比规范中描述的更为复杂,因此对雷达图像进行深入探讨,以供后续雷达图像分析工作者参考。

2 衬砌工况的划分

隧道无损检测工作主要检测二衬厚度、钢筋间距、拱架间距、二次衬砌与初期支护间是否存在脱空、初期支护背后是否存在空洞。二次衬砌厚度可以通过二次衬砌追层分析来确定;钢筋由于未受到拱架、空洞反射波形的影响,也易准确判定;拱架间距及空洞判定常会因二次衬砌钢筋反射波的屏蔽受到影响。为便于分析隧道主要组成部分的判定特征,特将隧道衬砌状况划分为3种,第一种工况为初期支护内无拱架且二次衬砌内无钢筋;第二种工况为初期支护内有拱架而二次衬砌内无钢筋;第三种工况为初期支护内有拱架且二次衬砌内有钢筋。

3 衬砌密实性在不同工况下的判释

3.1 衬砌密实性判释

密实系指衬砌与围岩密贴或衬砌背后全部用填料回填、填料内无空隙。不密实系指衬砌背后全部用填料回填,但填料内空隙率较大。空洞系指衬砌背后没有或部分回填,衬砌背后有明显空隙、空腔或空洞,包含二次衬砌背后脱空。规范[1]中规定:衬砌背后回填密实度的主要判定特征应符合下列要求。

(1)密实:信号幅度较弱,甚至没有界面反射信号;

(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;

(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。

3.2 第一种衬砌工况下空洞的判释

第一种衬砌工况下由于没有钢筋和拱架的干扰,混凝土的密实情况易判定,衬砌混凝土密实的部位雷达图像信号幅度较弱,甚至没有界面反射信号,而存在空洞或脱空的部位,雷达图像明显增强,同相轴连续,三振相明显。图1为某A隧道拱顶实测雷达图像,在所圈部位,雷达波波幅明显增强,同相轴连续,从所处的位置判定为二次衬砌与初期支护间脱空。

3.3 第二种衬砌工况下空洞的判释

第二种工况下,隧道初期支护内有拱架,二次衬砌内无钢筋。这种情况下空洞可能出现在初支背后也可能出现在二衬背后,通过拱架和空洞的相对位置判定空洞所处的位置。图2为某B隧道拱顶实测雷达图像,在空洞所在区域,拱架判定特征易见,而拱架背后形成反射很强的同相轴界面,拱架判定特征下部分波形受空洞特征波形影响。空洞反射波的起始位置在拱架判定特征之后,判定初期支护背后存在空洞,从信号反射的强弱定性判定空洞严重。而图3所示的C隧道中,空洞所在区域反射信号较强,存在较强的三振相反射,从拱架与空洞判定特征的起始位置看,判定该处为二次衬砌与初期支护间存在脱空,脱空背后的拱架信息受到影响,比较模糊,很难辨识,脱空下面的图像反射较弱,定性判定该处脱空程度较轻。

图1 某A隧道衬砌拱顶检测实测雷达图像

图2 某B隧道衬砌拱顶检测实测雷达图像

图3 某C隧道衬砌拱顶检测实测雷达图像

3.4 第三种衬砌工况下空洞的判释

第三种工况下,隧道初期支护内有拱架,二衬内有钢筋。这种工况下由于钢筋反射波屏蔽的影响,判定结果易出现偏差,甚至出现无法判释的情况。图4为某D隧道实测雷达图像,图中钢筋特征信息清晰,钢筋背后无强反射界面,判定该检测部位钢筋背后密实。

图5为某E隧道实测雷达图像,图中钢筋背后存在明显的同相轴反射,而且从强反射的起始位置可以判定脱空在二衬背后,由于二衬背后脱空严重,造成空洞背后的初期支护反射信息被屏蔽,无法检测到有效的初期支护信息,也无法判定空洞的深度。而图6中所显示的脱空程度明显要轻于图5中的脱空程度,图6中,脱空后面的反射波较弱,脱空的三振相未形成多次反射。因此空洞深度的判定只能定性,很难定量。

图4 某D隧道衬砌检测实测雷达图像

图5 某E隧道衬砌检测实测雷达图像

图6 某F隧道衬砌检测实测雷达图像

图7为某G隧道实测雷达图像,图中DK1485+ 557～DK1485+562段虽然出现了较两侧稍强的反射,但是从强反射的位置判定强反射信息不是由脱空引起,而是因为该处钢筋保护层较薄,钢筋外凸,增益不适合此处的雷达波,造成后面的反射信号较强,这种情况易误判成空洞。

图7 某G隧道衬砌检测实测雷达图像

4 拱架在不同衬砌工况下的判释

4.1 拱架信息的判释

拱架在隧道中常用的有工字钢和格栅拱架。规范中规定:拱架的主要判定特征应符合分散的月牙形强反射信号。

4.2 拱架在第二种衬砌工况下的判释

在第二种衬砌工况下,由于隧道二次衬砌内无钢筋布设,拱架的判定特征清晰可见,对此,对第二种工况下工字钢和格栅拱架判定特征的差异性、拱架特征波形受埋设深度的影响进行深入分析。

(1)工字钢和格栅拱架判定特征的区别

图8和图9分别为某H隧道和某I隧道实测雷达图像,其中H隧道为工字钢,I隧道为格栅拱架,由于格栅拱架与工字钢结构上存在差异,虽然都呈现出分散的月牙形强反射信号,工字钢整体性好,月牙形整体性好;而格栅拱架由4根钢筋拼接而成,整体性差,特征波形在保留拱架的月牙形信息的同时又体现出了格栅拱架组成构件反射的不同步性。

图8 某H隧道衬砌检测实测雷达图像

图9 某｜隧道衬砌检测实测雷达图像

(2)拱架特征波形受埋设深度的影响

图10为某J隧道实测雷达图像,图中随着拱架位置不断深入,拱架判定特征逐渐模糊,说明拱架随着埋设的深入,拱架前面的混凝土层达到足够厚时,拱架信息将很难捕捉到,易误判成缺少拱架。

4.3 第三种衬砌工况下拱架的判释

在第三种衬砌工况下,由于二次衬砌内钢筋的屏蔽作用,对初期支护内拱架的判释带来极大困难,一般情况下很难判定,在某些特殊情况下可以捕捉到拱架的判定特征。

图11为某K隧道实测雷达图像,该隧道主要为Ⅲ级加强支护,初期支护内有拱架,二次衬砌内无钢筋,每50 m要求布设一5 m的加强段布设钢筋,以供通风设施使用,取其中一段分析,二次衬砌无钢筋的段落拱架信息清晰,而在加强的5 m区域,拱架信息模糊,甚至很难辨识,一般情况下在二次衬砌存在钢筋的情况下,拱架信息受到二次衬砌钢筋屏蔽影响非常大,很难判定拱架的准确信息。

图10 某J隧道衬砌检测实测雷达图像

图11 某K隧道衬砌检测实测雷达图像

在二次衬砌布有钢筋的情况下,一些比较特殊的情况下可以检测到清晰的拱架特征波形,如图12和图13所示的某L隧道和某M隧道,隧道二次衬砌布有钢筋,但拱架判定特征清晰可见,分析为:该检测部位,由于拱架与钢筋间距偏大,钢筋的二次反射与拱架反射信息不重叠,对拱架的特征波形屏蔽作用大大降低,因此可以检测到清晰的拱架判定特征。

图12 某L隧道衬砌检测实测雷达图像

图13 某M隧道衬砌检测实测雷达图像

5 结语

(1)在第二种工况下,脱空影响拱架反射的特征波形,脱空程度严重,拱架信息将直接被屏蔽掉,只能从两侧不存在脱空的区域判定拱架信息,而当拱架背后存在空洞时,拱架特征波形的下部信息会受到空洞反射的影响,但拱架信息可见。

(2)格栅拱架和工字钢拱架由于在结构上存在区别,虽然二者都能反射出月牙形的拱架特征波形,由于工字钢拱架整体性好,特征波形具有很好的整体性。

(3)钢筋屏蔽作用对检测工作的影响很大,虽然一些特殊情况下在存在钢筋的前提下可以检测到清晰的拱架信息,但在存在钢筋的情况下很难保证检测到准确的拱架信息,拱架数量信息最好在二次衬砌施工前确定。

(4)钢筋位置的变化也可能造成其背后出现干扰异常,引起误判,可以根据强反射出现的位置判定钢筋背后的异常是有效异常或干扰异常。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10223—2004/J341—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.

[2] 中华人民共和国交通部.JTG F60—2009公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[3] 中华人民共和国交通部.TG F801—2004公路工程质量检验评定标准[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4] 中华人民共和国水利部.SL 326—2005水利水电工程物探规程[S].北京:中国水利水电出版社,2005.

[5] 杜世回.基于稳定性概念的铁路隧道围岩分级研究[J].铁道标准设计,2012(9):77-80.

[6] 李霄凯,童正洪.高速铁路隧道地质雷达法检测技术[J].铁道标准设计,2012(2):88-91,106.

[7] 郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道工程学报,2002(2):71-74.

[8] 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):268-270.

[9] 姜汶泉,刘亚玲,汪林平.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应[J].地下空间与工程学报,2008,4(4):649-652.

[10]刘传孝,蒋金泉,杨永杰.地质雷达应用于探测拱桥空洞的效果验证[J].岩土力学,2001,22(1):106-108.

Analysis and Approach to the Image of the GPR in Nondestructive detection of Tunnel Lining

ZHAO Chang-yao1,DENG Xin-sheng2
(1.The Department of Engineering Test,Northwest Research Institute Co.,Ltd.,of C.R.E.C; Lanzhou 730070,China;2.Laurel Industrial Company,Inc,Beijing 100020,China)

The compactness of different lining types and the characteristics of arch waveform are sorted and discussed to analyze the characteristics of determination corresponding to void and arch under different working conditions.Lining structures are classified and the radar waveform differences in the lining compactness and the determination characteristics of arch under different lining conditions are analyzed and compared,and the similarities of different lining conditions are summarized.With no reinforcement in the second tunnel lining,influence between void and arch can be determined,while with reinforcement in the second tunnel lining the shielding concrete to the void and arch have effects on radar image interpretation.

Tunnel;Non-destructive detection;Characteristics determination;Ground penetrating radar (GPR)

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.026

1004-2954(2014)12-0109-04

2014-04-11;

2014-05-01

赵常要(1981—),男,工程师,硕士,E-mail:31632714@ QQ.com。