探地雷達(dá)在水利工程隧道襯砌脫空質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

閆永峰

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 昌吉 831100)

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展發(fā)展，用于工程勘察的許多儀器越來越小型、輕便，圖像顯示也更加直觀。其中作為電磁波法中的探地雷達(dá)方法，由于其可以結(jié)合高頻電磁波進(jìn)行快速無損傷探測而被廣泛應(yīng)用[1]，在水利工程隧道襯砌脫空質(zhì)量檢測就占據(jù)著重要地位。

在隧洞建設(shè)過程中掌握圍巖穩(wěn)定性及其前方地質(zhì)實(shí)際狀況對(duì)于隧道安全建設(shè)具有重要意義[2]。特殊情況下有必要采用探地雷達(dá)對(duì)隧洞的其他建筑物特點(diǎn)進(jìn)行一些更詳細(xì)更深入的檢查工作，例如圍巖的密實(shí)完整穩(wěn)固的情況、鋼拱架的布置情況、有無離析以及蜂窩麻面、襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的勻稱一致性以及相對(duì)應(yīng)的整體性以及襯砌合理厚度等等。

文章以西北某水利工程為例，該水利工程中水庫的修建主要由瀝青混凝土筑成墻壩為主體，同時(shí)有溢洪洞和沖砂洞等主要建筑物組成，還包含設(shè)置了發(fā)電引水系統(tǒng)以及供水管線等基礎(chǔ)設(shè)施。采用探地雷達(dá)對(duì)水庫樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段開展雷達(dá)測試工作，了解隧洞混凝土襯砌層后是否存在脫空[3]，圈定空洞的范圍及規(guī)模，為后期工程“查漏補(bǔ)缺”進(jìn)行修復(fù)提供參考依據(jù)。

2 探地雷達(dá)檢測隧道襯砌脫空的基本原理

探地雷達(dá)方法是利用高頻無線電輻射相關(guān)儀器實(shí)現(xiàn)高頻無線電發(fā)射與收集[4-5]，高頻無線電通過發(fā)送天線直接射向地底介質(zhì)表面，高頻無線電在經(jīng)過地底介質(zhì)表面后反射，再由收集天線受到反映回去的無線電，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測介質(zhì)表面構(gòu)造的目的(見圖1)。

圖1 探地雷達(dá)原理示意

自然界中每一類物體其自身的電磁特性都具有一定的差異性，即使本是同一種物質(zhì)，其電磁特性也會(huì)因?yàn)槠浔旧頋穸鹊牟煌?、自身空隙度、含雜質(zhì)百分量的不同導(dǎo)致其電磁特性也具有一定的差異。電磁性質(zhì)具有一定差異，其根本原因是介電常數(shù)的不同(見表1)。該種電磁性質(zhì)的差異決定了在不同介質(zhì)中，電磁波的傳播速度是不一樣的。高頻電磁波在地下介質(zhì)內(nèi)的傳播過程中，經(jīng)過不同的地下介質(zhì)(如裂縫、不密實(shí)區(qū)、空洞、材質(zhì)不同等)，電磁波將會(huì)發(fā)生反射，通過接收器會(huì)接收到反射回地面的電磁波。由于介質(zhì)電磁性具有差異，接收的電磁波波形也會(huì)產(chǎn)生不同，從而可以根據(jù)波形趨勢的差異、電磁波強(qiáng)度的強(qiáng)弱等信息推斷地下介質(zhì)的相對(duì)空間位置分布、結(jié)構(gòu)差異、電性特征差異及幾何形態(tài)的不同。

表1 幾種介質(zhì)的電磁特性參數(shù)

3 檢測儀器和檢測方法

3.1 檢測儀器

針對(duì)此次隧道襯砌的測試狀況，主要從清晰度、穿透力和安全穩(wěn)定性3大主要方面綜合考慮[6]，本次測試將采用SIR-30E地質(zhì)雷達(dá)，該地質(zhì)雷達(dá)由勞雷(北京)儀器有限公司所生產(chǎn)。工程主要目的是檢測圍巖和襯砌間是否存在空洞或空隙，因此，選擇天線參數(shù)為400M天線，因?yàn)?00M天線其具有強(qiáng)的穿透特性，可以有效達(dá)到預(yù)期目的。時(shí)窗參數(shù)設(shè)置為20 ns，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1 024點(diǎn)/道，介電常數(shù)為7。

數(shù)據(jù)的采集方式為采用連續(xù)測量方式進(jìn)行。采集數(shù)據(jù)開始之前應(yīng)當(dāng)充分做好準(zhǔn)備工作，保證采集工作的順利開展，用皮尺丈量隧洞指定樁號(hào)段并做好標(biāo)記，調(diào)試?yán)走_(dá)時(shí)間剖面上各測點(diǎn)的高度與隧洞里程數(shù)一致，同時(shí)為確保測量定位準(zhǔn)確性防止測量定位產(chǎn)生偏離，應(yīng)當(dāng)在隧洞襯砌表層繪好里程標(biāo)志。同時(shí)整合內(nèi)業(yè)資源，標(biāo)識(shí)里程樁號(hào)，根據(jù)標(biāo)注和錄入的首末標(biāo)識(shí)工作中間核查的里程數(shù)，在雷達(dá)時(shí)間剖面上標(biāo)識(shí)里程樁號(hào)。

3.2 測線布置

對(duì)發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段指定位置進(jìn)行檢測，沿隧道縱向布置3條測線，L1測線位于拱頂，L3右拱測線位于拱頂右側(cè)60°處，L5位于右拱腰線(見圖2)。

圖2 雷達(dá)測試示意圖及現(xiàn)場示意

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

探地雷達(dá)資料分析與解釋首先需要進(jìn)行預(yù)處理，并且對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析與解釋首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，確保采集到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行文件分類編輯后進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對(duì)于數(shù)據(jù)預(yù)處理，簡單得出零線設(shè)定、各種濾波、偏移以及各種變換，在以預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理與預(yù)期效果對(duì)比是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而在分層處理后得到的數(shù)據(jù)后可計(jì)算出介質(zhì)的介電常數(shù)，從而計(jì)算出電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，以此對(duì)不同介質(zhì)進(jìn)行參數(shù)分析判斷是否達(dá)到預(yù)期的處理效果。如果與預(yù)期的設(shè)計(jì)要求誤差過大處理效果不理想，則應(yīng)對(duì)預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行校正來減小誤差，隨即對(duì)校正后的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行分層處理得出相關(guān)參數(shù)。分層處理后的數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)如果達(dá)到預(yù)期處理效果后即可進(jìn)行圖形分析編輯，將分析編輯得到的圖形再加以修飾注釋后即可輸出結(jié)果(見圖3)。

圖3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程示意

數(shù)據(jù)處理分析主要是為了壓制規(guī)則及避免不可控制因素引起隨機(jī)干擾，從而達(dá)到使反射波盡可能以高的分辨率顯示在探地雷達(dá)圖像剖面上。探地雷達(dá)所接收的是來自地下不同電性界面的反射波，其正確解釋取決于檢測參數(shù)選擇合理、數(shù)據(jù)處理得當(dāng)、模擬實(shí)驗(yàn)類比和讀圖經(jīng)驗(yàn)等因素[7]。

數(shù)據(jù)處理工作主要使用的軟件為工程Radan 7專用軟件，其處理工作內(nèi)容主要包括距離歸一化、確定速度和水平、垂直濾波。

1) 距離歸一化

因?yàn)樵趯?shí)際探測過程中不可能保證天線移動(dòng)速度進(jìn)行勻速掃描，不勻速掃描導(dǎo)致探地雷達(dá)天線在工作中每米掃描的線數(shù)不同，為減少該誤差對(duì)探測工作的影響，使用標(biāo)記功能首先測算出天線移動(dòng)的距離，一般情況是每2 m進(jìn)行1次標(biāo)記，數(shù)據(jù)在后期處理中可以先選擇每米掃描數(shù)，在該段距離內(nèi)補(bǔ)充或刪掉部分掃描線，使得測線內(nèi)的掃描線條數(shù)相同均勻，以此來減少掃描時(shí)的誤差。

2) 確定波速

3) 水平和垂直濾波

雷達(dá)資料中水準(zhǔn)信號(hào)的發(fā)育現(xiàn)象往往發(fā)生在雷達(dá)設(shè)備本身，通常條件下水平信號(hào)是很難避免的，在一些實(shí)際案例中一般會(huì)將天線對(duì)著天空，但接收器依舊會(huì)接收記錄到反射波，可見該方法并不有效，從而可以得出該反射波并不是來自天空，而是由控制器、數(shù)據(jù)線、天線的相互作用而形成的。水平濾波是因?yàn)樗讲ǖ奶攸c(diǎn)是時(shí)間相等，在濾波這一過程中，一般消除水平波的方法是將相鄰的一定數(shù)量的掃描線求平均與個(gè)別掃描線相比較。在水平濾波中，選擇的掃描行數(shù)通常和水準(zhǔn)濾波器作用成負(fù)相關(guān),一般條件下表現(xiàn)在選擇的掃描行數(shù)越大,對(duì)水準(zhǔn)濾波器作用也越小，因此，消除水平信號(hào)的作用就更顯著。同時(shí)水平濾波掃描線并不能選取的太少，否則就很容易由于濾去水平信號(hào)的作用過于明顯，而產(chǎn)生濾去的緩變界面。所以，在采用水平濾波時(shí)，應(yīng)注意依據(jù)對(duì)象情況不斷的加以調(diào)節(jié)，以保證水平濾波效果最佳[8]。垂直濾波的主要目的是為了減少雜散波對(duì)所接受電磁波的影響，與水平濾波不同，其雜散波并不是由天線本身所產(chǎn)生的，而是直接來自于外源，其頻段范圍也不在雷達(dá)天線所選擇的頻段之內(nèi)。在一般情況下使用垂直濾波主要是為分辨不同的地質(zhì)體，并且選擇不同的頻段。但是此時(shí)垂直濾波由于是一個(gè)特殊變換，會(huì)對(duì)處理結(jié)果產(chǎn)生一些影響，最常見的情形就是會(huì)產(chǎn)生很大的失真，而且一般頻段范圍越窄失真就越大，所以需要在使用中特別需要注意選擇方式和參數(shù)。但在通常情況中濾波處理改善效應(yīng)并不明顯，因?yàn)槔走_(dá)天線的發(fā)送和接收都設(shè)置好了帶寬，而雷達(dá)信號(hào)本身也已過了濾波。

混凝土密實(shí)性也對(duì)電性具有很大影響，混凝土密實(shí)電性差異很小，從而反射界面不明顯，致使電磁波反射信號(hào)幅度通常很微弱，甚至沒有界面反射功能；混凝土的不密實(shí)電性變化大，通常只在襯砌表面上出現(xiàn)較強(qiáng)反射信號(hào)，同時(shí)在反射波的同向軸形成繞射弧形，但分布并不連續(xù)，也比較離散[9-10]。在出現(xiàn)孔洞時(shí)會(huì)在襯砌表面出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射信號(hào)，三振變相明顯，同時(shí)在孔洞下面也出現(xiàn)了強(qiáng)烈的反射界面信號(hào)，2個(gè)信號(hào)時(shí)程相差很大。鋼架在雷達(dá)圖像上，呈分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)；鋼筋或鋼筋網(wǎng)則形成連續(xù)的小雙曲線形反射信號(hào)。

4 檢測結(jié)果分析與驗(yàn)證

通過對(duì)L1、L3及L5線探地雷達(dá)探測結(jié)果進(jìn)行分析，有效圈定異常位置，并進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，查明了局部脫空或巖體局部不密實(shí)，為工程后期“查缺補(bǔ)漏”提供了依據(jù)。

發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段拱頂L1測線雷達(dá)測試成果圖像顯示，深度標(biāo)尺0.40～0.44 m處反射界面為混凝土襯砌層底界面雷達(dá)反映，其中剖面樁號(hào)0+244.5 m(見圖4)、0+281.6 m(見圖5)深度標(biāo)尺在0.45～0.6 m范圍內(nèi)存在強(qiáng)反射相位，推測存在局部脫空或巖體局部不密實(shí)，其余測試段反射波形清晰、層位明顯，推測襯砌混凝土內(nèi)部密實(shí)性較好；現(xiàn)場對(duì)其異常樁號(hào)段進(jìn)行打孔驗(yàn)證(見圖6a、圖7a)，結(jié)果顯示存在局部脫空(見圖6b、圖7b)，與探地雷達(dá)推測結(jié)果吻合。

圖4 拱頂L1測線(225～250 m)雷達(dá)測試成果示意

圖5 拱頂L1測線(275～300 m)雷達(dá)測試成果示意

圖6 拱頂(0+244.5 m)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

圖7 頂拱(0+281.6 m)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段右拱L3雷達(dá)測試成果圖像顯示，在25～50 m深度標(biāo)尺為0.35～60 m處的白藍(lán)、藍(lán)紫色強(qiáng)反射相位為鋼筋網(wǎng)的雷達(dá)圖像反應(yīng)(見圖8)，其中剖面樁號(hào)在25～50 m(見圖8)深度標(biāo)尺為0.4～0.5 m、在300～325 m(見圖9)深度標(biāo)尺為0.4～0.55 m范圍內(nèi)存在強(qiáng)反射相位，推測存在局部脫空或巖體局部不密實(shí)，其余測試段反射波形清晰、層位明顯，推測襯砌混凝土內(nèi)部密實(shí)性較好；現(xiàn)場對(duì)其異常樁號(hào)段0+39.1 m(見圖10a)和0+310.0 m處進(jìn)行打孔驗(yàn)證(見圖11a)，結(jié)果顯示存在局部脫空(見圖10b、圖11b)，與探地雷達(dá)推測結(jié)果吻合。

圖8 右拱L3測線(25～50)雷達(dá)測試成果示意

圖9 右拱L3測線(300～325)雷達(dá)測試成果示意

圖10 右拱(0+39.1)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

圖11 右拱(0+310)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段右腰線L5測線雷達(dá)測試成果圖像顯示，在25～50 m時(shí)間標(biāo)尺深度標(biāo)尺為0.17～0.25 m處的藍(lán)紫色強(qiáng)反射相位為鋼筋網(wǎng)的雷達(dá)圖像反應(yīng)，其中剖面樁號(hào)在0+27.3 m深度標(biāo)尺為0.55～0.70 m范圍內(nèi)存在強(qiáng)反射相位(見圖12)，推測存在局部脫空或巖體局部不密實(shí)，其余測試段其下雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)性好，無明顯的反射相位，未見脫空，現(xiàn)場對(duì)其異常樁號(hào)段0+27.3 m進(jìn)行打孔驗(yàn)證(見圖13a)，結(jié)果顯示存在局部脫空(見圖13b)，與探地雷達(dá)推測結(jié)果吻合。

圖12 右腰線L5測線(25～50)雷達(dá)測試成果示意

圖13 右腰線(0+27.3)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

5 結(jié)語

1) 探地雷達(dá)技術(shù)由于其具有高效、快速、無損等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)成像顯示地下結(jié)構(gòu)剖面，探測結(jié)果清晰，便于分析，判讀直觀，廣泛被用于隧道襯砌脫空質(zhì)量檢測。

2) 通過對(duì)水利工程隧道開展L1、L3及L5探地雷達(dá)剖面測量工作，結(jié)果顯示，隧道部分位置存在強(qiáng)反射相位，推測襯砌存在脫空，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，與探地雷達(dá)推測結(jié)果一致，認(rèn)為探地雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌脫空質(zhì)量檢測有效。