談地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

劉占文

(山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西太原 030006)

近年來，隨著公路事業(yè)得到迅猛的發(fā)展，工程建設(shè)項目中的質(zhì)量和安全因素逐步成為重中之重，國家相關(guān)部門更是出臺了一系列的政策、法規(guī)，要求各開工項目必須高度重視工程質(zhì)量和施工安全，同時要求在施工過程中必須加大對隧道等重點工程的檢測、監(jiān)控力度，以避免各類事故的發(fā)生。隧道工程作為道路施工的重點和難點，具有隱蔽工程較多、施工條件較差、質(zhì)量和安全不易控制的特點，常常由于施工原因造成隧道拱頂開裂、拱頂空洞、襯砌損壞、襯砌厚度薄等病害，給后期的營運帶來較大的安全隱患。由此，采用快速、先進的現(xiàn)場檢測、監(jiān)控措施成為保證隧道施工質(zhì)量和安全的重要手段，隧道檢測、監(jiān)控也成為隧道施工中的必要環(huán)節(jié)。

1 地質(zhì)雷達檢測原理

地質(zhì)雷達由一體機、天線及相關(guān)配件組成。原理是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接受地下介質(zhì)反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術(shù)。其工作過程是雷達主機通過發(fā)射天線(T)在隧道襯砌表面向內(nèi)部發(fā)射頻率為數(shù)百兆赫茲的電磁波，電磁波反射探測原理見圖1。當(dāng)電磁波遇到不同媒質(zhì)(巖土體、溶洞等)的界面時便會發(fā)生反射與透射，反射波返回襯砌表面，被接收天線(R)所接收。此時雷達主機記錄下電磁波從發(fā)射到接收的時間域脈沖信號雙程旅行時間Δt。因為電磁波在襯砌內(nèi)的傳播速度V可由已知襯砌厚度點測定出來，所以可由深度D=V·Δt/2式求出反射面的深度即襯砌厚度。根據(jù)雷達圖像上發(fā)射波的強弱、頻率特征及變化情況，確定襯砌背后是否存在脫空。并根據(jù)反射波組的波形與強度特征，數(shù)據(jù)處理得到雷達剖面圖像，如圖2所示。

圖1 地質(zhì)雷達檢測原理圖

2 資料處理方法

探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形或灰度顯示探測雷達剖面圖。地質(zhì)雷達探測資料的解釋包括兩部分內(nèi)容，一為數(shù)據(jù)處理，二為圖像解釋。

數(shù)據(jù)處理是為了消除隨機噪聲壓制干擾，改善背景;進行自動時變增益或控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。數(shù)據(jù)處理過程包括:切除首尾廢段→按10 m標記對記錄進行水平均衡→調(diào)整測量方向保持一致→零點校正→水平、垂直濾波→識別界面及有效信號→輸入介電常數(shù)→拾取襯砌(或二襯)厚度界面→分析回填情況→存入Excel表格并打印。經(jīng)過處理后的檢測剖面中黑白相間的強弱對應(yīng)不同的幅度強度，橫軸代表樁號(單位為m)，縱軸表示電磁波傳播的雙程走時(單位為ns)。從時間剖面上可直觀地、清楚地看到襯砌和襯砌背后的情況。

圖2 地質(zhì)雷達襯砌檢測原理示意圖

3 地質(zhì)雷達方法的檢測應(yīng)用

3.1 工程概況

晉侯高速公路陽城至翼城段，是山西省高速公路網(wǎng)中九橫之一的重要組成部分，是山西省“十一五”期間的重點工程，西接大運高速，東接長晉、晉焦高速公路，是橫貫山西南部的一條重要黃金通道，云臺山隧道為分離式長隧道，左右線進出口段均地處晉城市沁水縣境內(nèi)，左線起訖里程ZK59+708～ZK63+082，長3 374 m，凈空寬×高為9.75 m×5.0 m，進出洞門均為端墻式;右線起訖里程YK59+716～YK62+965，長3 249 m。凈空寬×高為9.75 m×5.0 m，進出洞門均為端墻式。

3.2 檢測目的

由于不同頻率天線的測深能力不同，頻率越低，探測深度越大。此次檢測的有效深度在1 m以內(nèi)，查找空洞、不密實體和脫空等，由于二襯，初襯及圍巖的介電常數(shù)不同，且變化較大，綜合場地的特點，RAMAC/GPR的工作參數(shù)為500 m的頻率天線，65 ns的采集時窗，自動迭加，距離觸發(fā)測試方式，道間距為0.03 m。

3.3 測線布置

本次隧道二襯地質(zhì)雷達質(zhì)量檢測在該隧道相應(yīng)里程段內(nèi)共布置了左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻五條縱向測線，測線布置情況具體如圖3所示。

3.4 檢測結(jié)果分析

根據(jù)所布置的地質(zhì)雷達測線在該隧道里程段檢測中發(fā)現(xiàn)的部分缺陷列舉如下:

1)樁號為ZK59+876～ZK59+879，雷達圖像見圖4。圖4同兩邊鋼筋的反射圖像明顯不同，在ZK59+876～ZK59+879拱頂處開始出現(xiàn)強烈異常反射(見框出部分)，反射波振幅較鋼筋反射振幅還大，存在多個反射波組。異常反射同相軸非常連續(xù)，其走向是先往上傾斜后向下傾斜，表明此處存在明顯的脫空。

圖3 隧道地質(zhì)雷達二襯檢測測線布置示意圖

圖4 ZK59+879～ZK59+882缺陷雷達圖像（位置：拱頂）

2)樁號為ZK59+772～ZK59+776，雷達圖像見圖5。從圖5可看出，雷達圖像在ZK59+772～ZK59+776處突然出現(xiàn)框出部分的異常，與左邊混凝土及右邊二襯內(nèi)鋼筋的反射圖像形成鮮明的對比。其雷達波反射非常強烈，振幅較鋼筋的反射振幅還大，且異常反射同相軸連續(xù)，存在多個反射波組，表明此處存在脫空。

圖5 ZK59+772～ZK59+776缺陷雷達圖像（位置：左拱腰）

3)樁號為K60+025～K60+028，見圖6。從圖6可以看到，雷達圖像在K60+025～K60+028段出現(xiàn)明顯的異常(黑色框出部分)，且異常出現(xiàn)在二襯里面。異常的反射同相軸向上傾斜且連續(xù)，振幅強烈，表明此處存在裂縫。

圖6 K60+025～K60+028缺陷雷達圖像（位置：右拱腰）

根據(jù)JTG F80/1-2004公路工程質(zhì)量檢驗評定標準所要求的二襯與初襯間不得存在空洞、蜂窩及脫空等缺陷的規(guī)定。因此，施工單位對該缺陷進行修補處理。

4 結(jié)語

通過地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在某隧道襯砌檢測中的應(yīng)用情況得出以下幾點:

1)地質(zhì)雷達對隧道進行無損檢測具有快速便捷，檢測效率高，檢測結(jié)果可靠度高，對施工影響小，且不影響隧道的使用壽命。2)檢測過程中會經(jīng)常有干擾因素存在，影響數(shù)據(jù)的分析和判讀，如隧道臺車和裝載機等施工機械的影響，因此，如何正確識別干擾，從而得到正確的分析結(jié)果至關(guān)重要。3)能夠準確檢測隧道襯砌施工中存在的各種缺陷病害，也可以對營運中的隧道進行養(yǎng)護檢測，給隧道的日常養(yǎng)護提供技術(shù)數(shù)據(jù)。4)地質(zhì)雷達是一種正在不斷發(fā)展的無損探測技術(shù)，雖然檢測效果良好，但準確率不可能達到100%，對雷達圖像異常情況的解釋判斷，需要積累大量的實際經(jīng)驗。

［1］夏才初，潘國榮.土木工程監(jiān)測技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［2］夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監(jiān)測技術(shù)［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1999.