地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工質(zhì)量無損檢測中的運(yùn)用

張建華

0 引言

高速公路建設(shè)對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有強(qiáng)力的推動作用,高速公路的建設(shè)由于選線等原因,不可避免采取隧道工程,而隧道工程屬于隱蔽性工程。在隧道施工中,難免會有利欲熏心的不法施工人員對隧道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行不合理降低,如擴(kuò)大工字鋼間距,使用石棉瓦及隨意墊設(shè)石塊,二襯厚度達(dá)不到規(guī)范要求等。隧道施工勢必需要有一種不破壞結(jié)構(gòu)的檢測措施把上述不利情況排除在隧道運(yùn)營之前[1]。

1 工程概況

千秋關(guān)隧道位于寧國市仙霞鎮(zhèn)云梯鄉(xiāng)以南,皖浙兩省交界的千秋關(guān)處,為分離式單拱隧道。隧址區(qū)屬斷褶侵蝕剝蝕中低山區(qū),海拔252.0 m～430.0 m,相對高差178 m,山脊走向南北,隧道軸線與山脊走向近直交,軸線通過最高海拔430.0 m,隧址區(qū)地形坡度較陡,安徽段隧道出口地形坡角 19°～38°,隧址區(qū)植被發(fā)育,雨水易滲入殘坡積土層中,地下水按賦存形式可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水[2]。

可見隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量若得不到很好的控制,容易使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不合理而發(fā)生開裂,以及最后一道防水措施失去作用。

2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

2.1 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)簡介

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖1所示,地質(zhì)雷達(dá)組成和工作原理及其探測方法如下:

1)控制單元:控制單元是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的管理器,計(jì)算機(jī)(32位處理器)對如何測量給出詳細(xì)的指令。系統(tǒng)由控制單元控制著發(fā)射機(jī)和接收機(jī),同時(shí)跟蹤當(dāng)前的位置和時(shí)間。

2)發(fā)射機(jī):發(fā)射機(jī)根據(jù)控制單元的指令,產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電信號并由發(fā)射天線將一定頻率的電信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號向地下發(fā)射,其中電磁信號主要能量集中于被研究的介質(zhì)方向傳播。

3)接收機(jī):接收機(jī)把接收天線接收到的電磁波信號轉(zhuǎn)換成電信號并以數(shù)字信息方式進(jìn)行存貯。

4)電源、通訊電纜、觸發(fā)盒、測量輪等輔助元件。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)測試原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作。發(fā)射天線將高頻(106Hz～109Hz或更高)的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下,被地下介質(zhì)(或埋藏物)反射,然后由接收天線接收。

根據(jù)電磁波理論,當(dāng)雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中,遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí),由于上下介質(zhì)的電磁性質(zhì)不同而產(chǎn)生反射和折射。由公式雷達(dá)根據(jù)測得的雷達(dá)波走時(shí),自動求出反射物的深度和范圍[3]。

2.3 資料處理方法

使用相應(yīng)雷達(dá)資料處理軟件REFLECW進(jìn)行資料處理。對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理、增益調(diào)整、濾波等方法的處理,最終得到各測線的成果圖,以此對隧道內(nèi)部混凝土質(zhì)量進(jìn)行分析評價(jià)工作。

3 工程實(shí)例分析

3.1 測線布置

千秋關(guān)隧道初襯的混凝土厚度、背后缺陷、鋼支撐間距及二次襯砌厚度檢測,在該隧道部位的左墻腰、左拱腳、拱頂、右拱腳、右墻腰共布置五條縱向的雷達(dá)測線。對每條測線,按3 m間距取點(diǎn)(相當(dāng)于直接鑿開這些點(diǎn)),進(jìn)行質(zhì)量合格與否的評價(jià),且保證每條測線的評價(jià)點(diǎn)不少于20點(diǎn)。

3.2 資料處理與解釋

圖2為整個(gè)數(shù)據(jù)處理及資料解釋流程圖。原始數(shù)據(jù)(時(shí)間剖面)經(jīng)過數(shù)字處理后可以得到時(shí)—深剖面圖,對時(shí)—深剖面圖加以分析即可獲得襯砌厚度及澆筑情況等。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾,以最大可能的分辨率在圖像剖面上顯示反射波,提取反射波的各種有用參數(shù),以幫助解釋檢測成果[4]。

地質(zhì)雷達(dá)資料反映的是地下介質(zhì)的電性分布,將其轉(zhuǎn)化為地質(zhì)體分布,必須把地質(zhì)、施工、地質(zhì)雷達(dá)等方面的資料有機(jī)結(jié)合起來,以此獲得檢測對象的整體圖像。

襯砌界線判釋的依據(jù):混凝土襯砌、噴射混凝土與圍巖(或其間空區(qū)中的空氣)有明顯的介電常數(shù)差,因此,在時(shí)深剖面圖上,襯砌底面和巖石之間有明顯的界線。噴射混凝土與模筑混凝土襯砌介電常數(shù)有差別,但不是很大,若它們之間接觸很好或粘結(jié),則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。

3.3 初期混凝土檢測分析

經(jīng)過雷達(dá)資料處理軟件REFLEC對初期支護(hù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到如圖3所示的波形。

經(jīng)分析得到千秋關(guān)隧道K92+910～K92+950拱頂位置初期支護(hù)噴射混凝土厚度、工字鋼數(shù)量以及初期支護(hù)背后空洞情況。圖中長曲線為圍巖與噴射混凝土分界面,橢圓位置表示存在空洞情況,小豎直線為工字鋼位置。由分析得到后的波形圖可以看出,經(jīng)過地質(zhì)雷達(dá)對隧道初期支護(hù)進(jìn)行檢測,可以清楚分辨出初期支護(hù)的工字鋼數(shù)量、初期支護(hù)噴射混凝土厚度以及空洞存在位置。

3.4 二次襯砌檢測分析

經(jīng)過雷達(dá)資料處理軟件REFLEC對二次襯砌采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到如圖4所示的波形。

根據(jù)JTG F80/1-2004公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[5]二襯厚度質(zhì)量合格的標(biāo)準(zhǔn):所有測點(diǎn)的厚度值均不少于設(shè)計(jì)厚度值的規(guī)定。本次對千秋關(guān)隧道二襯混凝土厚度里程段(K92+835～K92+950)拱頂位置進(jìn)行檢測,部分里程段中有較少離散的點(diǎn)的二襯實(shí)測厚度未能達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。

4 結(jié)語

結(jié)合安徽寧國市仙霞鎮(zhèn)云梯鄉(xiāng)千秋關(guān)隧道,采用地質(zhì)雷達(dá)對隧道初期支護(hù)以及二次襯砌進(jìn)行無損檢測。文中介紹了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理,且結(jié)合采集數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果可以清晰確定初期支護(hù)工字鋼數(shù)量間距、初期支護(hù)噴射混凝土厚度、初期支護(hù)噴射混凝土后空洞情況以及二次襯砌厚度。

[1] 彭建勛,張 昊,梅保賢.地質(zhì)雷達(dá)在高速公路隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(5):315-317.

[2] 李二兵,譚躍虎,段建立.地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程檢測中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(2):267-370.

[3] 李 華,夏才初.隧道二襯質(zhì)量檢測中的地質(zhì)雷達(dá)探測參數(shù)優(yōu)化[J].西部探礦工程,2006,1(119):169-172.

[4] 李 偉.地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程無損檢測中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,33(19):332-334.

[5] JTG F80/1-2004,公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)[S].