地质雷达在隧道检测中常见问题的分析.doc

地质雷达在隧道检测中常见问题的分析2011年第3期(总第205期)黑龙江交通科技HElLONGJIANGJIAOTONGKEJJNo.3.201I(SumNo.2o5)地质雷达在隧道检测中常见问题的分析汪伟(广州诚安路桥检测有限公司)摘要:隧道工程以其自身具有的改善线形,缩短里程和行车时间,提高运营效益等方面的优势.因此,需要一种快捷,有效,安全的方法对隧道结构进行检测,地质雷达作为一种高分辨率和高准确率,并且快速高效的探测技术而得到迅速推广和应用.对地质雷达检测方法的基本原理,方法用其在公路隧道检测中常见问题进行了阐述.关键词:隧道工程;地质雷达;检测中图分类号:U442文献标识码:C文章编号:10083383(2011)030070020前言随着我国交通事业的不断发展,国家对基础设施建设的投人逐年加大,公路隧道的数量也在逐年增加,同时在运营过程中暴露出来的隧道病害也在连连告急.这就需要一种高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速的检测方法来适应这种发展,使隧道病害能够提前得到治理.地质雷达检测方法可以对隧道衬砌混凝土厚度,密实性,脱空等进行快速检测.它不仅克服了传统上以点盖面的只靠目测和打孔抽查来对隧道质量进行不全面检测的缺点,而且是一种采用高科技手段,以其高分辨率和高准确率,能快速,高效地进行无损检测的方法,在隧道工程质量检测中得到广泛的应用.虽然地质雷达在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用,但在检测过程中仍有很多容易被忽视的问题.对雷达波速的标定,地质雷达天线频率的选择,里程的标记,隧道检测专用车的设计,缺陷中空洞的准确定位等问题的具体分析,对提高检测数据的质量起到很大作用.l地质雷达探测原理工作原理是高频电磁波以宽频带脉冲形式,通过发射天线定向发射到介质中.在介质中传播的入射电磁波,若遇上两种电性不一的介质界面,就会产生反射;界面电性差异越大,即介质中介电常数差异越大,其反射就越强.反射信号被接收天线接收并处理后,就可以用于判断反射界面的方位与距离,并根据发射电磁波至发射波返回的时间差与介质中电磁波传播的速度来确定反射体距表面的距离.在隧道工程中,在施工中遇到的掌子面前方的不良地质体,如断层,裂隙带,岩溶,夹层等在已竣工隧道中的各种病害体,如顶部脱空,漏水裂隙等,由于和周围的介质都有很大的电性差异,故都是良好的电磁反射体.这些介电常数的变化,给地质雷达探测提供了基本条件.2波速标定问题2.1直接法(I)钻芯法测混凝土衬砌厚度在地质雷达检测的测线上,用钻机在混凝土上钻透衬砌混凝土,然后再用尺量出混凝土衬砌的实际厚度(d),并从地质雷达图像上读出钻取位置处衬砌混凝土反射层面的双层走时,再根据下式即可求出波速.V=2d/t收稿日期:20101118?7O?(2)利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度使用激光断面仪对隧道初支衬前断面进行检测,待初支衬完成后,在同一断面再次进行检测,通过相同位置两次检测结果的差值,可得出检测断面初支衬的准确值.再根据式(1)利用此准确值对地质雷达在初支喷混凝土衬混凝土中传播的波速进行标定.已知整个检测断面的初支衬厚度,可将不同测线在此断面的波速分别求出,再对其进行综合分析,求出综合的波速值.从这点出发,要比钻芯法求衬砌厚度的方法在科学性,准确性(精度)上都优越得多.使用激光断面仪对隧道开挖轮廓或衬砌净空进行检测,不仅可以对地质雷达波速进行标定,而且还可以评价隧道开挖及隧道净空是否满足设计要求,从而达到了多个检测项目相结合的效果.2.2间接法(雷达宽角速度测量法)当衬砌背后存在明显空洞时,检测到的波谱图像中将存在抛物线.从而可通过在速度(V)处输入不同速度值进行拟合,当抛物线与图像中存在的抛物线完全拟合时,该速度即为衬砌混凝土的速度.从图1可知波谱图像中抛物线的形成原因,在图中可任取两个点对速度进行拟合.由其关系可推导出速度拟合公式.=22图1抛物线成因示意图2.3混凝土龄期对雷达波速的影响问题随混凝土龄期的不同,其介电常数有差异.利用地质雷达技术检测混凝土内部缺陷体时,混凝土龄期越短,探测缺陷体的效果越好.第3期汪伟:地质雷达在隧道检测中常见问题的分析总第205期3地质雷达天线频率的选择问题隧道衬砌检测必须采用屏蔽天线.频率高的天线发射雷达波主频高,分辨率高,精度较高,能量衰减较快,探测深度较浅;频率低的天线发射雷达波主频低,分辨率低,精度相对较低,能量衰减较慢,探测的深度较深.因此,选用天线时,应根据隧道混凝土厚度及检测要求来确定天线的频率,在隧道衬砌检测中,雷达对于厚度的探测精度误差在5%左右.4里程的标记问题为了保证地质雷达图像上各测点的位置与实际检测里隧道里程程的位置相对应,先在隧道边墙上用红油漆每5m作一个标记,标注里程以供核对,并每隔100m进行一次距离校准.实际检测时,当天线对齐某一标记时,由仪器操作员向仪器输入信号,在雷达记录中每5m作一个标记,同时,应尽量使天线匀速移动.由于检测时天线的走向不是真正意义上的直线,而是蛇形前进,所以,即使是采用里程轮,也应对记录的里程与实际里程进行核对.整理资料时,根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程,在雷达的时间剖面图上标明里程,以保证雷达图像点位的准确.0123.456789l0C图2雷达图像标记如图2所示,如若每m作1个标记,即使检测速度不一致,也可准确定出隧道每m的准确位置;每5m作1个标记,能确定每5m处的准确位置,而每5m间只能通过平均处理来确定每m的位置,若5m内的速度存在差异,将会导致隧道每rn的准确位置不能确定.5隧道专用检测车的设计从事地质雷达对隧道衬砌厚度进行检测的检测人员均有深刻体会,特别是进行隧道拱部的各测线检测时,天线密贴衬砌表面变成极困难的事情.其中最主要的一个原因就是作业人员元专用操作台,不便操作造成的.目前常采用的办法是在汽车上搭设钢管架或利用检修车等作为检测车.以汽车,卡车为载体,在其上架设钢管架,根据测线位置,确定检测平台高度,一般上层平台距离拱顶1.82.0m,中间平台与拱脚等高,平台整体不能侵限,台架稳固.就目前而言,所检测的测线并非理论上的直线,大多存在左右或上下摆动,造成天线沿衬砌表面蛇形前进或局部存在脱离衬砌表面,所以检测过程中必须保证检测车平稳匀速前进,同时雷达天线密贴检测工作面,减少晃动,使天线的走向(地质雷达测线)成为真正意义上的直线.6空洞定位问题在隧道衬砌的缺陷判定时,所采用的地质雷达图像通常只是某一条测线所采集到的.众所周知,地质雷达所采集的图形并不完全是天线所经过测线剖面的如实反映,如若在测线附近存在空洞等缺陷时,即使不在测线剖面上,在地质雷达图像上也会有反映.当存在这种情况时,如只采用一条测线对空洞进行精确定位是比较困难的.如若在其空洞位置正交补测一条或多条短测线,则可通过两个,多个地质雷达剖面图像进行立体分析,可对空洞进行精确定位.但对于空洞存在的规模(空洞高度)仍不能准确定量.这是因为:空洞内部介质的复杂性,雷达波在空洞的波速无法准确给定;空洞第二界面的反射波特征很难确认,从而导致空洞的高度无法准确定量.只能根据经验定性判别其竖向尺寸.如果结合钻孔校正等方法来确定电磁波传播速度,对提高判别精度有所帮助.7检测精度问题确定衬砌混凝土厚度的指标有两个,一个是电磁波的反射时间,一个是电磁波在混凝土中的传播速度.电磁波的反射时间可以在雷达记录上精确读出.而由于衬砌混凝土存在着诸如设计等级不同,级配不同,骨料成分不同等种种差异,造成电磁波在混凝土中的传播速度是不确定的.电磁波在混凝土中的传播速度一般在1113cm/ns之间,双程反射时间增减O.5ns将造成正负23cm的误差,这还没有考虑到反射波相位发生变化等因素.因此,完全没有必要强调雷达精度高到什么数量级,以满足工程需要为前提,重点放在查清衬砌缺陷上.8结束语总之,地质雷达检测隧道衬砌层是一种先进的无损检测技术,与传统的人工取芯相比,地质雷达检测采集的数据量大,更加客观且经济,快捷.在充分处理好上述地质雷达在隧道工程质量检测中应用的技术问题之后,将会使地质雷达在