地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

李 銳

0 引言

地下工程襯砌是地下工程開挖后構(gòu)筑在其周邊的支護(hù)結(jié)構(gòu)。它的主要作用有兩個(gè):1)承重，即承受圍巖壓力、地下水壓力、結(jié)構(gòu)自重以及其他荷載的作用;2)圍護(hù)，防止圍巖風(fēng)化、崩塌和防水防潮。是保證地下工程正常和安全使用的重要結(jié)構(gòu)。但因其屬隱蔽工程，施工作業(yè)空間有限、作業(yè)環(huán)境惡劣，極易造成襯砌厚度不足、襯砌與圍巖結(jié)合部脫空、回填不密實(shí)、混凝土結(jié)構(gòu)空洞、局部開裂、鋼筋錯(cuò)位等質(zhì)量事故。在常規(guī)的檢驗(yàn)方法中，多采用局部開孔或開槽取樣檢測(cè)，該方法不僅效率低，代表性差，偶然性大，而且破壞了襯砌結(jié)構(gòu)的整體性。因此，探索一種能夠連續(xù)、全面、精確、快速且對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)損傷的檢測(cè)方法，使這些病害能夠提前得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治理，就顯得尤其迫切和有意義。地質(zhì)雷達(dá)是近年來(lái)應(yīng)用于淺層地質(zhì)構(gòu)造、巖性檢測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是快速、無(wú)損、連續(xù)檢測(cè)，并以實(shí)時(shí)成像方式顯示地下結(jié)構(gòu)剖面，使探測(cè)結(jié)果一目了然，分析、判讀直觀方便。因探測(cè)精度高、樣點(diǎn)密、工作效率高而備受一些行業(yè)的關(guān)注。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。使用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，是我國(guó)物探應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展較為迅速的方法之一。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的光譜(1MHz～1GHz)電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)是利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的反射時(shí)間(雙程走時(shí))、幅度與波形資料，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。隧道襯砌與支護(hù)、圍巖的相對(duì)介電常數(shù)的對(duì)比決定分層是否“可見”。當(dāng)存在缺陷時(shí)，由于缺陷與良好襯砌或圍巖間的介電常數(shù)的對(duì)比差異，也使得缺陷“可見”。因此，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行探測(cè)是適宜的。實(shí)測(cè)時(shí)將雷達(dá)的發(fā)射和接收天線密貼于襯砌表面，雷達(dá)波通過(guò)天線進(jìn)入混凝土襯砌中，遇到不同介電特性的介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生反射，接收天線接收到反射波，測(cè)出反射波的入射、反射雙向走時(shí)，就可計(jì)算出反射波走過(guò)的路程長(zhǎng)度，從而求出天線距反射面的距離。通過(guò)分析波形資料可以判釋襯砌背后的缺陷，通過(guò)波的反射時(shí)間可以計(jì)算缺陷的位置以及襯砌層的厚度。

2 探測(cè)方法

2.1 檢測(cè)儀器及采集參數(shù)

本次檢測(cè)使用瑞典產(chǎn)的RAMAC/GPR型地質(zhì)雷達(dá)(主機(jī)編號(hào)為CUⅡ)，選用800MHz屏蔽天線。

其技術(shù)參數(shù)為:

采樣頻率:12 000MHz～14 000MHz;

采樣點(diǎn)數(shù):390點(diǎn)～430點(diǎn);

疊加次數(shù):8次;

測(cè)量時(shí)窗:30 ns～33ns;

觸發(fā)方式:距離觸發(fā)。

2.2 測(cè)線布置

測(cè)線布置如圖 1所示。數(shù)據(jù)采集時(shí)每隔 5m或者 10m應(yīng)有一個(gè)里程標(biāo)記，以便能夠準(zhǔn)確定位出缺陷位置。

2.3 介質(zhì)參數(shù)的標(biāo)定

檢測(cè)前應(yīng)對(duì)襯砌混凝土的介電常數(shù)和電磁波速做現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，標(biāo)定的方法是在已知厚度部位或材料與隧道相同的其他預(yù)制件上測(cè)量，然后結(jié)合實(shí)際厚度尺寸和雷達(dá)反射波的波時(shí)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為:

其中，εγ為相對(duì)介電常數(shù);εv為電磁波速，m/s;t為雙程反射時(shí)間，ns;d為標(biāo)定目標(biāo)體厚度，m。

3 應(yīng)用實(shí)例

使用GROUNDVISION和REFL EXW雷達(dá)資料處理軟件，進(jìn)行資料處理。對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了預(yù)處理、增益調(diào)整、帶通濾波和滑動(dòng)平均等方法的處理。最終得到各測(cè)線的成果圖，以此對(duì)隧道襯砌內(nèi)部情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。判定工作主要包括襯砌背后回填密實(shí)度及空洞的判定。

3.1 工程概況

國(guó)家高速滬陜線陜西西安—商州高速公路某隧道位于陜西省藍(lán)田縣灞源鄉(xiāng)境內(nèi)，全長(zhǎng)5 440m，為全線的控制性工程，隧道為上下行分離的六車道高速公路特長(zhǎng)隧道。隧道圍巖以風(fēng)化細(xì)碧巖為主，最大埋深512.262m，節(jié)理裂隙發(fā)育，整體性差，由工程地質(zhì)引發(fā)的工期風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)二次襯砌背后的空洞及鋼筋網(wǎng)分布

鋼筋的反射信號(hào)是連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，如圖 2所示。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)初支襯砌背后的空洞

空洞，襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大。

3.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)初支背后的噴射混凝土密實(shí)度

不密實(shí)，襯砌界面的強(qiáng)反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散。

3.5 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)二襯背后的脫空

空洞，襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大。

4 結(jié)語(yǔ)

1)用探地雷達(dá)做隧道質(zhì)量檢測(cè)是一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)得到大量應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，雷達(dá)方法是隧道檢測(cè)最有效和快速的方法。用探地雷達(dá)方法進(jìn)行隧道質(zhì)量檢測(cè)，可以確定襯砌厚度，圍巖和襯砌內(nèi)的缺陷，探測(cè)鋼筋和鋼拱架等。

2)用雷達(dá)做隧道質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，要根據(jù)檢測(cè)需要選擇合適的天線，其中最常用的是500MHz天線，它的探測(cè)深度可以達(dá)到3m～4m，基本可以達(dá)到探測(cè)混凝土和圍巖的目的。如果只檢測(cè)二襯厚度，可以用800MHz或1 000MHz天線。

3)值得注意的是，在做二襯厚度檢測(cè)時(shí)，如果襯砌做的很完美，二襯的界面是不太容易看出的(初襯和二襯的介質(zhì)基本一樣，不會(huì)有明顯反射層)。但我們總可以根據(jù)其缺陷(層間空洞、脫空、不密實(shí)等)來(lái)找到該反射界面。

4)在做初襯檢測(cè)時(shí)，由于隧道表面凸凹不平，特別是地面也不平整，給雷達(dá)檢測(cè)造成很大困難，此時(shí)要注意觀察天線的工作狀況(是否離開隧道表面，是否突然移動(dòng)到另外的地方等)，并在天線工作不正常處打標(biāo)記，這樣就不會(huì)產(chǎn)生誤判。

[1] 穆維超，劉方元，霍二倫.探地雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2009，35(1):337-338.