運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測新建鐵路隧道襯砌質(zhì)量的應(yīng)用研究

崔黎紅

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測新建鐵路隧道襯砌質(zhì)量的應(yīng)用研究

崔黎紅

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

為了控制隧道施工中的襯砌質(zhì)量，工作人員應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行無損檢測。文章介紹了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理以及地質(zhì)雷達(dá)對隧道襯砌中的密實(shí)、不密實(shí)、脫空、鋼筋、鋼拱架以及避車洞等的反射圖像，分析了隧道襯砌中產(chǎn)生各種異常的主要原因。

地質(zhì)雷達(dá)；隧道襯砌；無損檢測

1 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，特別是近幾年來一批新建鐵路相繼開工建設(shè)，隧道施工往往成為控制性工程，同時(shí)隧道的施工質(zhì)量也成為整個(gè)鐵路施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)。在施工中由于種種原因?qū)е滤淼酪r砌中出現(xiàn)不密實(shí)、脫空等異常情況，嚴(yán)重威脅著隧道施工和后續(xù)鐵路運(yùn)營的安全。因此，隧道襯砌施工質(zhì)量的檢測越來越受到重視。地質(zhì)雷達(dá)作為一種快速、高分辨率、連續(xù)的無損檢測技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘測、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查以及工程施工質(zhì)量監(jiān)測等諸多領(lǐng)域[1]。特別是近幾年地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的應(yīng)用被迅速推廣，已經(jīng)成為隧道襯砌檢測中的一項(xiàng)重要手段，被越來越多的施工單位和科研檢測機(jī)構(gòu)所認(rèn)可。

2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

2.1 地質(zhì)雷達(dá)原理方法

地質(zhì)雷達(dá)檢測方法是利用主頻電磁波(106～109Hz)探測介質(zhì)電性分布的一種地球物理方法。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，在介質(zhì)表面通過發(fā)射天線將信號傳入介質(zhì)內(nèi)部，其路徑、波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，經(jīng)地下目標(biāo)體或地層反射界面反射后返回地面，由接收天線接收，通過對所接收的雷達(dá)信號進(jìn)行分析處理，達(dá)到探測地下或者隱蔽處目標(biāo)體的目的[2~3]。

雷達(dá)的探測對象通常是多界面結(jié)構(gòu)，例如，各類地層、巖性、松散層、風(fēng)化層等都是多層結(jié)構(gòu)。隧道中的圍巖、初襯、二襯等，也是多界面結(jié)構(gòu)。雷達(dá)波向介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，被稱為下行波，經(jīng)反射回表面的波被稱為上形波。下行波每遇到一個(gè)界面就發(fā)生一次反射和折射，入射波能量即被分成兩部分，一部分經(jīng)折射繼續(xù)向下傳播，另一部分經(jīng)反射掉頭向上，變成上行波。上一界面的折射波就是下一界面的入射波，因而下行波的能量不斷減少，同時(shí)每一界面都在產(chǎn)生反射的上行波。同理，每一界面反射形成的上行波，也會(huì)遇到介質(zhì)的界面，形成二次的反射與折射。介質(zhì)中每一上行波和下行波都是獨(dú)立運(yùn)行的，當(dāng)遇到界面時(shí)都會(huì)按照Snell定律，進(jìn)行折射和反射。因而多層介質(zhì)中，多次反射與折射波是無盡的，只是反射、折射的經(jīng)歷越多能量越小。介質(zhì)的介電常數(shù)或電導(dǎo)率差異越大，反射能量越強(qiáng)，反射的信息也越豐富，通過分析其中包含的地質(zhì)信息異常情況越全面，了解的介質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成越準(zhǔn)確。

2.2 介質(zhì)的電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)

2.2.1 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是表征一個(gè)物體傳導(dǎo)電流的能力或電荷在介質(zhì)中流動(dòng)的難易程度。電磁波在介質(zhì)中的穿透深度與介質(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)，其穿透深度隨電導(dǎo)率的增加而減小。在低電導(dǎo)率介質(zhì)中雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，深部信息豐富清晰，反之，在高電導(dǎo)率介質(zhì)中信號衰減非常強(qiáng)，基本無深部信息。薄會(huì)申認(rèn)為，當(dāng)介質(zhì)的電導(dǎo)率大于10 S/m時(shí)，雷達(dá)方法就不再適用，空氣、干燥的巖石、混凝土屬于低電導(dǎo)率(電導(dǎo)率小于(10~7)S/m)介質(zhì)，屬于雷達(dá)適用范圍。

2.2.2 介電常數(shù)

在物理學(xué)中，當(dāng)電容極板間充滿電介質(zhì)時(shí)，電容增大的倍數(shù)叫做這種電介質(zhì)的絕對介電常數(shù)，用ε表示。電容器極板間充滿電介質(zhì)時(shí)，電容增大到的倍數(shù)，叫做這種電介質(zhì)的相對介電常數(shù)，用 εr表示。 相對介電常數(shù)定義為 εr＝ε/ε0，ε0是真空中的介電常數(shù)，數(shù)值約為8.85×10-12F/m。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度由相對介電常數(shù)確定。常見介質(zhì)的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)見表1。

表1 常見介質(zhì)的電導(dǎo)率、相對介電常數(shù)

2.3 地質(zhì)雷達(dá)的分辨率

分辨率決定了地質(zhì)雷達(dá)分辨最小異常介質(zhì)的能力，可分為水平分辨率和垂直分辨率。

2.3.1 垂直分辨率

地質(zhì)雷達(dá)圖形中能夠區(qū)分一個(gè)以上的反射界面的能力稱為垂直分辨率。假定雷達(dá)波以錐面形式向下傳播，物體上表面將大部分能量反射回來，則水平分辨率可根據(jù)下式估算：

式中：Rf:圓柱半徑；

λ：電磁波長；

h：柱體頂面埋深。

2.3.2 水平分辨率

地質(zhì)雷達(dá)在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸稱為水平分辨率。按波的干涉理論，物體上下界面反射波最小可識別雙向波程差為λ/4～λ/8，因而垂向分辨率RV與工作頻率有關(guān)：

根據(jù)散射理論和有照射長度的最新研究結(jié)果，垂向分辨率應(yīng)為半波長：

3 地質(zhì)雷達(dá)隧道檢測

3.1 檢測設(shè)備

隧道襯砌檢測中采用RIS-2K型地質(zhì)雷達(dá)，天線采用600M屏蔽天線，最大探測深度為2.2m，時(shí)窗設(shè)置為44 ns。

3.2 測線布置

隧道竣工驗(yàn)收檢測過程中沿縱向在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧道底部各布1條，檢測中發(fā)現(xiàn)不合格地段加密測線，測線每隔5m有一里程標(biāo)記。在采集過程中天線緊貼隧道內(nèi)壁，行進(jìn)速度保持在3～5 km/h，及時(shí)記錄測線編號、里程范圍、周圍可能對測量產(chǎn)生影響的物體及其檢測對應(yīng)的里程。

4 雷達(dá)圖形判定依據(jù)[4]

4.1 襯砌背后回填密實(shí)度判定特征

(1)密實(shí)：信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號。

(2)不密實(shí)：襯砌界面的強(qiáng)反射信號同向軸成繞射弧形，且不連續(xù)，較分散。

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

4.2 鋼架、鋼筋位置分部判定特征

(1)鋼架：分散的月牙形強(qiáng)反射信號。

(2)鋼筋：連續(xù)的小雙曲線強(qiáng)反射信號。

5 地質(zhì)雷達(dá)檢測圖形

隧道襯砌檢測中雷達(dá)圖像主要包括密實(shí)、不密實(shí)、脫空、圍巖積水以及鋼筋和鋼拱架等反射。結(jié)合隧道施工工藝和支護(hù)方式分析產(chǎn)生異常和特征圖像的原因，為圖像判讀和工程隱患排查提供參考。

5.1 密實(shí)

在二次襯砌施工采用臺車，混凝土振搗均勻時(shí)，在雷達(dá)圖像上可看到?jīng)]有明顯的差異性反射信號，圖像均勻,表明襯砌混凝土密實(shí)性好，見圖1。

圖1 襯砌檢測密實(shí)特征解釋圖

5.2 不密實(shí)

當(dāng)隧道超挖，采用片石回填，且采用了灌漿法施工時(shí)，片石間空隙不能完全充滿混凝土，或者在進(jìn)行初支過程中由于部分位置施工未能完全按照規(guī)范施工，導(dǎo)致噴射混凝土和鋼拱架之間存在空隙，在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為小且不連續(xù)的反射界面，見圖2。

圖2 襯砌檢測不密實(shí)特征解釋圖

5.3 脫空

一般在隧道的拱頂部位由于防水板施工中張拉過緊，在防水板和圍巖之間會(huì)形成背后脫空，或者在兩個(gè)襯砌循環(huán)的連接處的擋頭模板位置會(huì)形成脫空，脫空一般表現(xiàn)為連續(xù)型，且縱向尺寸較大，見圖3。

圖3 襯砌檢測脫空特征解釋圖

5.4 鋼筋

金屬導(dǎo)體中電磁波速為零，不能傳播。鋼筋對于電磁波的能量幾乎全部反射回來，反射系數(shù)近乎為1，反射極強(qiáng)。應(yīng)用高頻天線探測，鋼筋形成清晰的反射弧，呈半張開的傘形，見圖4。在實(shí)際檢測中可根據(jù)反射弧的數(shù)目確定鋼筋的根數(shù)，判定鋼筋施工是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 襯砌檢測鋼筋反射解釋圖

5.5 鋼拱架

當(dāng)混凝土中有鋼拱，將出現(xiàn)特別強(qiáng)的月牙形反射信號,每一位號表示有一鋼拱，見圖5。通過實(shí)測的鋼拱數(shù)目結(jié)合里程標(biāo)記可算出鋼拱數(shù)量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 襯砌檢測鋼拱架反射解釋圖

5.6 避車洞

在進(jìn)行左右邊墻的檢測中，天線需要經(jīng)過避車洞，圖6即為經(jīng)過避車洞時(shí)的反射圖像，從圖中可看出，避車洞的反射圖像類似于一交叉符號。

圖6 襯砌檢測避車洞反射解釋圖

6 結(jié)束語

通過對隧道襯砌檢測圖像的分析、判斷和總結(jié)，可有效地幫助工作人員快速、準(zhǔn)確對隧道施工進(jìn)行及時(shí)檢查，提前發(fā)現(xiàn)隧道施工中的工程隱患，做到提早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，確保隧道施工質(zhì)量。地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測技術(shù)，在隧道襯砌質(zhì)量控制顯示出了明顯的優(yōu)勢，但同時(shí)也看到，在采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行無損檢測中還存在諸如抗干擾能力不強(qiáng)、尚不能對隧道襯砌進(jìn)行全面檢測等不足。隨著技術(shù)的不斷提升和設(shè)備的不斷更新，地質(zhì)雷達(dá)將在無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1994.

[2]薄會(huì)申.鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測與評價(jià)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)實(shí)用手冊[M].北京:地質(zhì)出版社，2006.

[3]郭有勁.地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2002，6( 2):71-74.

[4]TB 10223-2004，鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].

Use of the geological radar to detect the quality ofapp lied research of the new rail tunnel lining

CuiLihong

In order to control the quality of the lining in the tunnel construction,the staff should be Ground Penetrating Radar for Nondestructive Testing.This paper introduces the geological radar works and geological radar in the tunnel lining,dense,dense,and the reflection im age of the Void,steel,steelarch,as wellas the lay-by hole,etc.,the tunnel lining in a variety ofabnormalities of themain reasons.

U 452.1+7

A

1000-8136(2012)08-0004-03

(編輯：陳鶯翡)