探地雷達技術(shù)在鐵路隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

梁 湛 梁煥周 江 林

(1. 國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心, 廣東 廣州 510300; 2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室, 廣東 廣州 510300; 3. 交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心, 廣東 廣州 510300)

0 引言

由于鄰近運營鐵路隧道施工,可能引起既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化[1],產(chǎn)生位移。若發(fā)生變形,可致使襯砌結(jié)構(gòu)位移過大,導致混凝土局部應(yīng)力過大,產(chǎn)生損傷,甚至掉塊。這類病害將會極大地影響結(jié)構(gòu)及行車安全性,因此必須在施工期和施工后一段時期內(nèi)對隧道結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)控測量,把新建工程引起的一系列隧道動態(tài)變化信息及時反饋到業(yè)主及相關(guān)單位,用以評定該工程在施工期間的周邊運營鐵路的影響[2-3],并對可能發(fā)生的危及運營鐵路安全的隱患或事故及時、準確地預報,使之能夠在現(xiàn)場及時調(diào)整施工參數(shù),優(yōu)化和改進施工方法,確保既有鐵路設(shè)備的安全[4]。為了監(jiān)測鐵路隧道周邊基坑開挖對鐵路隧道的影響,工程上常采用測量技術(shù)進行點位變形監(jiān)測,獲取所測點位在監(jiān)測期內(nèi)的變形情況,但是無法獲得監(jiān)測期內(nèi)隧道內(nèi)部的變化。本文將探地雷達監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道監(jiān)測,對鐵路隧道進行數(shù)據(jù)采集,獲得隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)體的狀態(tài)和變化,通過研判和分析,獲取隧道的安全狀態(tài),為運營期間了解隧道提供數(shù)據(jù)支撐,為隧道的維護、技術(shù)改造決策提供更加科學的參考。

1 探地雷達技術(shù)

探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)又稱地質(zhì)雷達,是用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。利用探地雷達發(fā)射高頻脈沖電磁波,測試目標體空間位置和分布。同時,探地雷達可以對目標體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷進行測試[5],因此探地雷達可用于檢測各種材料的組成,如巖石、泥土、礫石,以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等,可確定金屬或非金屬及其他地下埋件的位置。探地雷達具有實時數(shù)據(jù)處理和信號增強的特性,可進行連續(xù)透視掃描,現(xiàn)場實時顯示二維黑白或彩色圖像[6-7]。探地雷達工作示意圖見圖1。由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征,再通過信號技術(shù)處理,形成全斷面的掃描圖,工程技術(shù)人員通過對雷達圖像的判讀,判斷出地下目標物的實際結(jié)構(gòu)情況[8]。探地雷達工作原理見圖2。

圖1 探地雷達工作示意圖

圖2 探地雷達工作原理

探地雷達基本參數(shù)如下:

(1)電磁脈沖波旅行時間

(1)

式(1)中,z表示目標體的埋深;x表示發(fā)射、接收天線的距離;v表示電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

(2)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

(2)

式(2)中,c表示電磁波在真空中的傳播速度;εr表示介質(zhì)的相對介電常數(shù),μr表示介質(zhì)的相對磁導率。

(3)電磁波的反射系數(shù)

在介質(zhì)傳播過程中,電磁波遇到相對介電常數(shù)明顯變化時,電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象。主要與電磁波反射系數(shù)r有關(guān):

(3)

式(3)中,r表示界面電磁波反射系數(shù);ε1表示第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù);ε2表示第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

(4)探地雷達記錄時間和勘查深度的關(guān)系

(4)

式(4)中,z表示勘查目標體的深度;t表示雷達記錄時間。

2 隧道探測

2.1 參數(shù)設(shè)置

隧道監(jiān)測分為施工準備期、施工過程及工后監(jiān)測,隧道無損檢測需在施工前和施工后各進行一次,主要監(jiān)測隧道襯砌變形、襯砌裂縫,以及隧道上方地表沉降等受跨越工程影響須監(jiān)測的相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)《鐵路工程物理勘探規(guī)程》(TB 10013—2004)的規(guī)定,隧道襯砌及病害測試時宜選用與測試精度要求相對應(yīng)的中、高頻天線,頻率范圍為400～900 MHz[9]。結(jié)合現(xiàn)場測試精度和深度,選用MALA ProEx型探地雷達。由于需要直接接觸檢測部位,因此選用空氣耦合500 MHz屏蔽天線。不同頻率天線的測深能力不同,頻率高的分辨率會提高,但測試深度會變淺,反之,頻率低的分辨率低,測試深度深[10]。探地雷達其他測試參數(shù)設(shè)置如下:7 500 MHz采樣頻率,1 054采樣點,500 MHz屏蔽天線,140 ns采集時窗,自動疊加8次,縱向測試時采樣間隔為0.02 m,有效測試深度為7 m,距離觸發(fā)測試方式,測試精度和深度可滿足工程要求[11]。

2.2 檢測過程

(1)縱向布線采用連續(xù)測量方式,特殊地段或條件不允許時,可采用點測方式,測量點距不宜大于200 mm,測線每5～10 m應(yīng)有里程標記。

(2)環(huán)向測線采用連續(xù)方式檢測;也可采用點測方式,每道測線不小于20個測點。

(3)介質(zhì)常數(shù)標定:在洞口、洞內(nèi)或避車洞位置使用雙天線直達波法測量。

(4)時窗長度確定:根據(jù)探測深度和介質(zhì)速度估算時窗長度,包括理論計算法、實用經(jīng)驗法。對拱墻襯砌混凝土時窗長度一般控制在30～60 ns;對仰拱襯砌混凝土時窗長度一般控制在60～100 ns。

(5)采樣率或采樣間隔根據(jù)儀器性能和要求設(shè)置,某些型號儀器無須設(shè)置,而是由儀器自動設(shè)置,或需設(shè)置檢測時域內(nèi)的采樣點數(shù),襯砌厚度檢測時單道信號不宜小于512個采樣點。

(6)數(shù)據(jù)位數(shù)設(shè)置為8位或16位即可滿足精度要求,宜設(shè)置為16位。

(7)濾波器設(shè)置

垂直濾波器:①垂直低通:取2～3倍的中心(天線)頻率,如采用400 MHz天線,低通截止頻率宜為800 MHz。②高通截止頻率:如采用400 MHz天線,高通截止頻率宜為100 MHz,高通取1/6～1/4中心(天線)頻率。

水平濾波器:①水平光滑濾波:一般宜設(shè)為3(掃描線數(shù)量)。此值增加則光滑度增加,小目標從記錄中被濾掉,如果是檢測鋼筋或管道,此值不應(yīng)大于5,若檢測淺表非常細小的目標(如混凝土中的細鋼筋、電線、鐵絲),就不應(yīng)使用該濾波器,而將此值設(shè)為零。若尋找地基層位,此值宜適當提高,但不得超過20。②水平背景去除濾波:數(shù)據(jù)采集時,該濾波器一般設(shè)為0。

(8)數(shù)字疊加次數(shù)不宜過大,太大不僅探測運行速率慢,而且抑制噪聲的效果也不太明顯,一般以4～32次為宜。

(9)探測掃描速率與車輛行駛速率(天線移動速率)是相對應(yīng)的。探測掃描速率一般宜設(shè)置為50～100(掃描線/s),其對應(yīng)的手推行駛速率不宜大于5 km/h,不宜過快,以易于目標識別、分析,在視覺上單位縱向長度內(nèi)的圖像展布不宜過長或過短。

(10)首波或直達波調(diào)試:分自動和手動調(diào)試,也包含自動調(diào)試找不到信號時的手動調(diào)試?，F(xiàn)場檢測時必須找到直達波而作為深度起點。

(11)顯示增益設(shè)置和調(diào)試:最大正負波形幅度宜占調(diào)試框?qū)挾鹊?0%～70%,避免反射信號微弱或飽和失真。如在彩色顯示方式下,數(shù)據(jù)采集時若能在屏幕上辨認出實時顯示的較微弱的反射信號,在后處理軟件中一般可通過增益放大使反射信號變得更清晰可分辨,更易于處理和異常判定。

2.3 監(jiān)測結(jié)果

在隧道內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)脫空、空洞和不密實等現(xiàn)象,因此,上述現(xiàn)象是常見的檢查項目。根據(jù)探地雷達掃描隧道實測結(jié)果,總結(jié)出隧道中各種介質(zhì)特征下隧道典型的反射圖像特征,見表1。對探測后的數(shù)據(jù)進行處理,得到隧道雷達反射掃描結(jié)果,圖4為部分區(qū)域雷達反射掃描圖像,x表示距離。以x=38 274 m為例,0 ns處為鋼筋,5～10 ns處為脫空,15～25 ns處為襯砌混凝土。

表1 隧道反射圖像典型特征

圖3中可見x=382 740 m處隧道表現(xiàn)為明顯的結(jié)果不密實、內(nèi)部產(chǎn)生脫空,圖中x=382 743～382 750區(qū)域隧道掃描結(jié)果顯示基本正常。根據(jù)雷達反射掃描結(jié)果,找到x=382 740 m處對應(yīng)的隧道位置,發(fā)現(xiàn)該處隧道底部表現(xiàn)為滲水,并有裂縫產(chǎn)生,可以認為該處隧道脫空引起了滲水,也證明了探測雷達掃描的準確性。

圖3 雷達反射掃描剖面圖

3 結(jié)束語

為了監(jiān)測鐵路隧道鄰近施工對隧道的影響,需要采用技術(shù)手段對隧道情況進行監(jiān)測,探地雷達技術(shù)能夠了解隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,在檢測鐵路隧道襯砌質(zhì)方面具有較強的可行性,也是對傳統(tǒng)測量手段較好的補充。本文將探地雷達技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道監(jiān)測,獲得了有益的結(jié)果,為相關(guān)工程應(yīng)用提供了參考。