隧道仰拱GPR無損檢測實(shí)例分析

樊甫勝，陳志文，楊正云

（1.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

隧道仰拱GPR無損檢測實(shí)例分析

樊甫勝1，陳志文1，楊正云2

（1.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

這里基于某鐵路隧道仰拱400MHz天線探地雷達(dá)的實(shí)際采集數(shù)據(jù)，采用Radan7軟件處理方法所檢測的缺陷結(jié)果，與施工單位及相關(guān)質(zhì)量控制單位所組織的破檢驗(yàn)證完全相符。通過對檢測缺陷展開全面分析與解釋，為隧道缺陷檢測提供了依據(jù)和方法，將其應(yīng)用于該工區(qū)后續(xù)隧道施工和隧道缺陷的檢測處理與解釋，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

探地雷達(dá)；無損檢測；隧道仰拱；數(shù)據(jù)處理

0 前言

近年來，隨著我國高速鐵路以及高等級公路建設(shè)項(xiàng)目的迅猛增長，隧道襯砌質(zhì)量無損檢測作為隧道施工過程中的一個(gè)重要的施工環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為規(guī)范隧道施工、保證隧道施工質(zhì)量的至關(guān)重要的手段。探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）方法以其經(jīng)濟(jì)、無損、快速、直觀、抗干擾強(qiáng)、分辨率高、操作方便、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道襯砌質(zhì)量檢測中，成為隧道襯砌質(zhì)量無損檢測中最重要、最有效的手段之一［1］。隧道襯砌質(zhì)量無損檢測內(nèi)容主要包括二襯、初支和仰拱。仰拱相對于二次襯砌和初期支護(hù)來說，具有較厚及有混凝土澆筑成的仰拱填充。在仰拱檢測時(shí)，對天線的參數(shù)和解釋處理具有其獨(dú)特性。作者在本文主要研究的是對仰拱缺陷的檢測和缺陷的判斷。在實(shí)際的工程中，由于工作量大和工程進(jìn)度的要求，使得某些里程段的仰拱在澆筑時(shí)存在填充不密實(shí)，脫空或者厚度不足的情況。這樣對仰拱檢測和缺陷的后期處理，以及對后期確保工程質(zhì)量都具有重要意義。

1 探測原理［2、3］

探地雷達(dá)方法利用天線向地下發(fā)射電磁脈沖，并接收由地下不同介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形，將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)（如介電常數(shù)εr）及幾何形態(tài)的變化而變化，其測試原理和基本組成如圖1所示。

作者根據(jù)接收到的回波時(shí)間、幅度和波形等信息，可判定地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與埋藏體的位置與形態(tài)

式中 t為脈沖波走時(shí)（ns）；h為目標(biāo)深度（m）；x為發(fā)射天線與接收天線的距離（m）；v為電磁波波速（m/ns）。

常見的介質(zhì)為非磁介質(zhì)，在探地雷達(dá)的頻率范圍內(nèi)，一般有（σ/ωεr）1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of GPR

式中 光速c＝0.3m/ns；εr為介質(zhì)相對介電常數(shù)。

當(dāng)發(fā)射天線和接收天線相距很近時(shí)，檢測目標(biāo)深度的計(jì)算公式為：h＝（t/2）·v。

目前常用的時(shí)域地質(zhì)雷達(dá)測試方法有剖面法、寬角法、環(huán)形法、多天線法等。作者在探測數(shù)據(jù)時(shí)采用剖面法，并結(jié)合多次覆蓋技術(shù)進(jìn)行測試。

剖面法的測試結(jié)果可以用地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖像表示，其橫坐標(biāo)記錄了天線在地表（或襯砌面）的位置，縱坐標(biāo)為反射波雙程走時(shí)，表示雷達(dá)脈沖從發(fā)射天線出發(fā)，經(jīng)過地下界面反射回到接收天線所需要的時(shí)間。這種記錄能夠準(zhǔn)確描述測線下方地下各反射界面的形態(tài)。

2 實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

某隧道地處青海省境內(nèi)，起訖里程：DKX＋098－DKX＋503，為雙線隧道。隧道里程DKX＋186.5－188.5和DKX＋220.5－224仰拱出現(xiàn)裂縫，為了確定引起裂縫的原因，作者應(yīng)用GSSI探地雷達(dá)對這兩段進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容為仰拱回填密實(shí)度，內(nèi)部缺陷狀況及規(guī)模大小。

（1）測線布置［5］。在對具體缺陷進(jìn)行檢測時(shí)，首先應(yīng)確定測區(qū)，根據(jù)被測目標(biāo)體的大小規(guī)模，一般采用網(wǎng)格布線。根據(jù)被測目標(biāo)的水平尺度及要求的水平分辨率確定側(cè)線的間距，側(cè)線間距應(yīng)小于或等于目標(biāo)尺度與分辨率，以防漏測。由于本次檢測是對仰拱右邊測線發(fā)現(xiàn)裂縫的位置進(jìn)行檢測，故對檢測的位置進(jìn)行網(wǎng)格布線，具體測線布線位置如圖2所示。

（2）天線中心頻率的確定。天線中心頻率的選擇需要兼顧目標(biāo)深度、目標(biāo)最小尺度，以及天線尺寸是否符合場地的要求等。在實(shí)際檢測的過程中，天線的中心頻率在滿足分辨率和場地條件時(shí)，應(yīng)盡量采用中心頻率低的天線。由于該隧道仰拱的厚度在1.8m～2m左右，故本次檢測采用400MHz天線。

（3）時(shí)窗選擇。采樣時(shí)窗大小取決于最大探測深度hmax（m）與介質(zhì)電磁波傳播速度v（m/ns）。由于hmax和v的變化，選擇采樣時(shí)窗應(yīng)預(yù)留出30%以上的余量。采樣時(shí)窗w（ns）可以由w估算出來：w＝1.3 hmax/v。根據(jù)該檢測段仰拱的最大厚度hmax及電磁波在混凝土中的傳播速度v，選取時(shí)窗w＝45ns。

圖2 仰拱檢測測線布置示意圖Fig.2 The schematic diagram of tunnel invert testing line layout

（4）掃描樣點(diǎn)數(shù)（Samples/scan）。掃描樣點(diǎn)數(shù)指每道波形的采樣點(diǎn)數(shù)。一般的儀器有128、256 512、1 024、2 048五種采樣點(diǎn)供選擇。為了保證在一定頻率下每個(gè)波形至少有10個(gè)采樣點(diǎn)，掃描點(diǎn)數(shù)應(yīng)滿足：掃描樣點(diǎn)數(shù)≥10時(shí)窗長度（ns＝10－9×天線頻率（MHz＝106），故本次檢測是掃描點(diǎn)數(shù)取1 024。

（5）掃描速率（Scans/s）。掃描速率為每秒掃描采集的掃描線記錄數(shù)，掃描速率大時(shí)掃描線密集，可提高天線的移動速度。掃描速率確定后，根據(jù)探測目標(biāo)體尺度決定天線的移動速度，估算移動速度的原則是要保證在最小的探測目標(biāo)內(nèi)，至少有20條掃描線：移動速度（cm/s）≤掃描速率（Scans/s）×最小探測目標(biāo)尺度（cm/Scan），由此確定本次檢測掃描速率為70Scans/s。

（6）增益點(diǎn)數(shù)。增益點(diǎn)數(shù)的作用是使用掃描記錄線上不同時(shí)段有不同的放大倍數(shù)，使各時(shí)段的信號都能清晰的顯示，尤其是使用反射信號強(qiáng)度達(dá)到滿度的60%左右。本次檢測采用5個(gè)增益點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與解釋

（1）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的目的是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾波，最大限度地提高雷達(dá)剖面的信噪比，提取電磁回波各種有用參數(shù)，用來解釋不同介質(zhì)的物理特征。數(shù)據(jù)處理的另一目的是將數(shù)據(jù)元素重置，以補(bǔ)償由于來自不同方向的反射迭加產(chǎn)生的空間畸變（如偏移處理等）。在實(shí)際處理中，可以根據(jù)所采集原始數(shù)據(jù)的好壞增加或者減少處理步驟。通過對現(xiàn)場已知厚度混凝土實(shí)際測量，計(jì)算出本隧道襯砌混凝土介電常數(shù)約為6.5，電磁波速度為0.12m/ns。數(shù)據(jù)處理可按圖3探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一般流程進(jìn)行。檢測發(fā)現(xiàn)的明顯缺陷雷達(dá)剖面圖如圖4所示。

圖3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一般流程圖Fig.3 GPR data processing flow chart

（2）缺陷解釋。對雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)是提取反射目標(biāo)，只要被測介質(zhì)中存在電性差異，可以在雷達(dá)剖面中找到相應(yīng)的反射波，根據(jù)相鄰道上反射波的對比，把不同道上同一個(gè)反射波的相同相位“連接”起來形成“同相軸”。在均勻無異常區(qū)域：同一組波的相位特征，即波峰、波谷的位置基本不變或者變化很緩慢；在水平電性分界層，產(chǎn)生的反射波組往往有一組光滑平行的同相軸與之對應(yīng)；由于雷達(dá)記錄的點(diǎn)距與介質(zhì)的變化相位相比要小得多，因此相鄰記錄道上的同一個(gè)反射波組形態(tài)的主要特征會保持不變，其反射波組的波形、振幅、周期及包絡(luò)線形態(tài)有一定的特征。根據(jù)反射波組的特征，就可以在雷達(dá)圖像中提取反射層［5］。以c測線DK104＋186橫向不密實(shí)缺陷圖為例進(jìn)行分析，雷達(dá)圖像如圖5所示。

見圖5，對比正常部位的反射波與不正常部位的反射波的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)：在離仰拱表面0cm～43cm的范圍內(nèi)，反射波的振幅及相位基本相同；在43cm～125cm的范圍內(nèi)，兩道反射波的相位發(fā)生反向，并且隨著距離的增加，不正常部位反射波的振幅是正常部位反射波振幅的2～3倍，高頻波豐富，這說明在該范圍內(nèi)，介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生了明顯變化；當(dāng)距離超過125cm之后，兩道反射波的振幅及相位回歸正常。

在43cm～125cm的范圍內(nèi)，帶狀繞射發(fā)育，出現(xiàn)很強(qiáng)的雜波，同相軸不連續(xù)。作者由此對其它缺陷圖做同樣的處理分析，得到結(jié)論：①f測線DK104＋186.5－188.5：平均深度0.52m、面積1.12m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；②g測線DK104＋188.5－186.5：平均深度0.52m、面積1.12m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；③c測線DK104＋186橫向：平均深度0.43m、面積1.77m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；④d測線DK104＋187橫向：平均深度0.46m、面積1.24m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；⑤p測線DK104＋224－220.5：平均深度0.72m、面積1.4m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；⑥q測線DK104＋220.5－224：平均深度為0.53m、面積1.75m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；⑦m測線DK104＋222橫向：平均深度0.55m、面積1.75m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)；⑧n測線DK104＋224橫向：平均深度0.58m、面積1.62m2的帶狀長條形分布范圍內(nèi)繞射發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)反射雜波，同相軸不連續(xù)。上述特征表明：局部范圍內(nèi)混凝土填充不均勻，膠結(jié)密實(shí)度差。

綜上所述，隧道進(jìn)口共計(jì)檢測完成86延米，檢測發(fā)現(xiàn)仰拱右側(cè)測線存在DKX＋186.5－188.5和DKX＋220.5－224不密實(shí)缺陷。其中，DKX＋186.5－188.5缺陷：縱向長度2m，橫向長度2.3m，深度0.52m，水平面積4.6m；DKX＋220.5－224缺陷：縱向長度3.5m，橫向長度2.5m，深度0.53m，水平面積8.75m。這里縱向即為沿隧道進(jìn)向方向，橫向即為垂直于隧道進(jìn)向方向。檢測結(jié)果如表1所示。

為驗(yàn)證上述處理解釋成果，施工單位及相關(guān)質(zhì)量控制單位對所檢測的缺陷區(qū)域組織了破檢驗(yàn)證。其結(jié)果為：在DKX＋186.5－188里程段長2.3m、寬2m的矩形范圍內(nèi)做了三處鉆孔驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)離仰拱表面0.52m～1.2m的范圍內(nèi)出現(xiàn)蜂窩狀填充且有細(xì)小裂紋；在DKX＋220.5－224里程段長3.5m、寬2.5m的矩形范圍內(nèi)做了三處鉆孔驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)離仰拱表面0.53m～1.28m的范圍內(nèi)出現(xiàn)蜂窩狀填充且有細(xì)小裂紋見下頁表2。

表1 隧道仰拱缺陷統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical list of X tunnel invert defect

表2 破檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical list of destructive testing

3 結(jié)論

仰拱檢測對探測深度有較高的要求，并且要有較高的分辨率，在用探地雷達(dá)400MHz的天線進(jìn)行檢測時(shí)，采用Radan7軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。施工單位及相關(guān)質(zhì)量控制單位通過對所檢測的缺陷組織破檢驗(yàn)證，結(jié)果完全相符，證明數(shù)據(jù)采集與處理、解釋方法是正確、有效的。施工單位對存在缺陷的位置進(jìn)行了注漿處理，有效地保證了隧道的質(zhì)量。

作者在本文所述隧道缺陷檢測的依據(jù)和方法，已經(jīng)應(yīng)用到該工區(qū)后續(xù)隧道施工和隧道缺陷的檢測處理與解釋中，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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1001—1749（2012）03—0365—05

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A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.23

樊甫勝（1984－），男，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字優(yōu)化仿真技術(shù)應(yīng)用。

2012－01－09改回日期：2012－02－23