地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌混凝土檢測(cè)中的特征圖像

王 新 玉

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州　450001)

1　概述

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量，主要利用地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波反射特性，利用襯砌介質(zhì)內(nèi)部的電磁性差異(主要是介電常數(shù)不同)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電磁波經(jīng)不同介電常數(shù)的混凝土或內(nèi)部目標(biāo)體反射返回混凝土面，由天線接收。通過(guò)對(duì)反射波的振幅、相位、同相軸等分析來(lái)確定混凝土的分界面，并判斷襯砌厚度、空洞、鋼筋和鋼拱架的位置及分布情況，揭示襯砌結(jié)構(gòu)特征及病害缺陷。

2　隧道襯砌的界面及厚度

2.1　界面識(shí)別

在隧道襯砌中，襯砌層的識(shí)別是襯砌厚度解譯的前提和基礎(chǔ)。利用波相識(shí)別法，以波形特征分析為依據(jù)，確定襯砌邊界如下：從上至下波性特征分為三段，且它們各段的形態(tài)和變化趨勢(shì)比較相近；在各段內(nèi)均表現(xiàn)為振幅呈指數(shù)衰減到某一振幅低值，并持續(xù)一段時(shí)間；在各段的分界面處，均以振幅極大值及突變的形式出現(xiàn)。其典型界面圖見(jiàn)圖1。

電磁波由空氣進(jìn)入混凝土(界面1)，根據(jù)菲涅爾原理，界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁性差異越大，反射波越強(qiáng)、反射振幅也越大；波從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)(光疏介質(zhì)的介電常數(shù)小，光密介質(zhì)的介電常數(shù)大)，反射系數(shù)為負(fù)，反射波相位反向。電磁波(折射波)在襯砌混凝土中傳播，由于混凝土介質(zhì)比較密實(shí)、均勻，反射系數(shù)較小，反射波振幅較弱，沒(méi)有強(qiáng)振幅的亂反射。波遇到混凝土和初期支護(hù)界面2后，由于初支混凝土的介電常數(shù)小于襯砌混凝土的介電常數(shù)，反射系數(shù)為正，反射波相位不反向，界面處發(fā)生明顯反射，振幅變大。波遇到初期支護(hù)和圍巖界面，由于圍巖均勻性差、含水量豐富，初支混凝土的介電常數(shù)小于圍巖，在界面發(fā)生明顯反射，反射系數(shù)為負(fù)，反射波相位反向，振幅變大。

2.2　厚度識(shí)別

準(zhǔn)確讀取電磁波到反射界面的雙程走時(shí)，按式(1)計(jì)算圖1中界面1到界面2的厚度，即：

(1)

其中,h為襯砌厚度,m;Δt為電磁波傳播雙程時(shí)間,ns;v為電磁波在混凝土中的傳播速度,m/ns。

3　襯砌混凝土典型特征圖像

3.1　襯砌混凝土背后空洞及不密實(shí)

1)密實(shí)：反射波振幅呈指數(shù)衰減，基本沒(méi)有界面反射信號(hào)；如圖2界面1上面波形。在電磁波由空氣進(jìn)入混凝土后，反射波相位反向(負(fù)波)，振幅變大；波在密實(shí)混凝土中傳播，反射波相位均勻穩(wěn)定，振幅較弱。

2)不密實(shí)：反射信號(hào)明顯，反射波相位不穩(wěn)定，波形不連續(xù)、雜亂分散。

圖2在電磁波由空氣進(jìn)入混凝土后，反射波相位反向，振幅變大；波在密實(shí)混凝土中傳播，反射波相位穩(wěn)定，振幅較弱。電磁波在襯砌界面處有明顯反射信號(hào)，如圖2界面1處負(fù)波；電磁波進(jìn)入不密實(shí)區(qū)，界面反射信號(hào)強(qiáng)，振幅變化較大，相位不穩(wěn)定，同相軸不連續(xù)，如圖2不密實(shí)區(qū)及界面1下面波形。

3)空洞：襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，同相軸呈繞射弧形，三振相明顯，下部有強(qiáng)反射界面信號(hào)，振幅變化大。

當(dāng)波遇到混凝土與空洞界面、空洞與混凝土界面，振幅加大,如圖3圖像空洞區(qū)及線A至線B之間波形；波從混凝土和空洞界面反射回來(lái)，反射波相位不反向；當(dāng)波從空洞界面和混凝土界面反射回來(lái)，反射波相位反向。從同相軸看，和不密實(shí)相比空洞有一定連續(xù)性，且相對(duì)集中，反射振幅大，反射信號(hào)較強(qiáng)。

3.2　襯砌混凝土內(nèi)部鋼筋及初期支護(hù)鋼拱架

1)鋼筋：有強(qiáng)反射信號(hào)，反射波相位反向(正波)，呈開(kāi)口向下連續(xù)的拋物線。

電磁波在混凝土中傳播，反射波相位均勻，振幅較弱；部分電磁波遇鋼筋界面產(chǎn)生呈開(kāi)口向下連續(xù)的拋物線，并產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)(鋼筋內(nèi)的波速基本為零)，反射波相位反向(正波)，剩余部分電磁波繼續(xù)向混凝土內(nèi)部傳播，見(jiàn)圖4。

2)鋼架：分散的弧形強(qiáng)反射信號(hào)，反射波相位反向(正波)。

圖5電磁波在混凝土中傳播，部分電磁波遇到鋼架產(chǎn)生弧形強(qiáng)反射信號(hào)，反射波相位反向(正波)；剩余部分電磁波繼續(xù)向混凝土內(nèi)部傳播。其中型鋼拱架為清晰的弧形多次反射，反射能量較大，格柵拱架反射能量較弱。

3)雙層鋼筋：雙層開(kāi)口向下連續(xù)的拋物線，有強(qiáng)反射信號(hào)。

圖6電磁波在混凝土中傳播，部分電磁波遇到第一層鋼筋界面產(chǎn)生呈開(kāi)口向下連續(xù)的拋物線，并有強(qiáng)反射信號(hào)，反射波相位反向；另一部分電磁波繼續(xù)向混凝土內(nèi)部傳播，其中部分電磁波遇到第二層鋼筋界面產(chǎn)生呈開(kāi)口向下連續(xù)的拋物線，有明顯反射信號(hào)，反射波相位反向；剩余部分電磁波繼續(xù)向混凝土內(nèi)部傳播，反射波相位為負(fù)波。

4)混凝土襯砌中的鋼筋及拱架。

圖7采集數(shù)據(jù)經(jīng)反褶積和帶通濾波處理后，A線處可看到單層鋼筋形成的連續(xù)拋物線及明顯反射信號(hào)，反射波相位為負(fù)波；界面1處為初期支護(hù)和二次襯砌的分界面，反射波相位為負(fù)波；B線處有4處型鋼拱架形成的弧形強(qiáng)反射，反射波相位反向?yàn)檎?。而雙層鋼筋后面的拱架由于受到雙層鋼筋的干擾無(wú)法準(zhǔn)確判定。目前初期支護(hù)鋼拱架及噴射混凝土密實(shí)度的檢測(cè)多在二襯混凝土施工前進(jìn)行檢測(cè)。

5)混凝土襯砌中的層間脫空(直徑或厚度不大于10 cm)。

圖8電磁波進(jìn)入襯砌混凝土后，部分電磁波遇到鋼筋界面，產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)，振幅加大，電磁波相位反向(見(jiàn)A線、B線上正波峰點(diǎn)E和F)。其余部分電磁波繼續(xù)向混凝土內(nèi)部傳播，遇到襯砌混凝土和初支混凝土界面，產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)，反射波振幅加大，反射波相位不反向(負(fù)波)。當(dāng)電磁波遇到脫空，產(chǎn)生反射波的振幅是混凝土初次反射波的數(shù)倍。見(jiàn)脫空區(qū)的反射波波峰D點(diǎn)的振幅是初次反射波波峰C點(diǎn)的2倍以上。

3.3　仰拱虛渣

圖9仰拱由于超挖,沒(méi)有用低標(biāo)號(hào)的混凝土回填，而采用隧道開(kāi)挖的洞渣直接回填。當(dāng)電磁波由混凝土進(jìn)入洞渣形成的不密實(shí)區(qū)，在不密實(shí)區(qū)經(jīng)過(guò)折射、反射及散射，反射波振幅變化較大，形成相位雜亂、不連續(xù)的強(qiáng)反射信號(hào)。

4　結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)掃面圖像的解譯，是建立在檢測(cè)參數(shù)選擇合適，采集數(shù)據(jù)處理合理，并且有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，以及經(jīng)驗(yàn)豐富等基礎(chǔ)之上。因此采集數(shù)據(jù)時(shí)，要根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)的深度、尺寸及混凝土的含水情況，合理選擇天線頻率、采樣深度、增益等參數(shù)；數(shù)據(jù)處理要經(jīng)過(guò)反褶積、帶通濾波及偏移等方法處理，這是數(shù)據(jù)解譯準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。目前數(shù)據(jù)解譯一般根據(jù)反射波振幅、同相軸及相位等特征，加上鉆芯和佐證資料對(duì)反射信號(hào)定性的解譯。對(duì)比較復(fù)雜地質(zhì)及特殊條件下的隧道襯砌混凝土檢測(cè)，還需要結(jié)合其他間接的解疑方法提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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