地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用的若干技術(shù)問題劉東坡

1、地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用的若干技術(shù)問題甘肅智通科技工程檢測(cè)咨詢有限公司 巖土中心 劉東坡摘 要：雖然地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但我今天就檢測(cè)過程中所遇到的問題（雷達(dá)波速的標(biāo)定、地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇、地質(zhì)雷達(dá)圖像的定位等問題）、檢測(cè)設(shè)備所存在的問題（隧道檢測(cè)專用檢測(cè)車的購置或設(shè)計(jì)問題）、后處理問題（缺陷中空洞的準(zhǔn)確定位、標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的建立）等均有待進(jìn)一步得到解決。本文就上述問題說一些自己淺顯的看法。關(guān)鍵詞：雷達(dá)波速標(biāo)定；天線頻率選擇；里程標(biāo)記；隧道專用檢測(cè)車的購置或設(shè)計(jì)；空洞定位問題引 言隨著國家陸路交通的不斷發(fā)展，鐵路公路隧道的數(shù)量也在逐年增加，同時(shí)在運(yùn)營過程中暴露

2、出來的隧道病害也在連連告急。這就需要一種高效的能夠?qū)λ淼酪r砌質(zhì)量進(jìn)行全面快速的檢測(cè)方法來適應(yīng)這種發(fā)展，使隧道病害能夠提前得到治理。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法可以對(duì)隧道襯砌混凝土厚度、密實(shí)性、脫空等進(jìn)行快速檢測(cè)，它不僅克服了傳統(tǒng)上以點(diǎn)蓋面的只靠目測(cè)和打孔抽查來對(duì)隧道質(zhì)量進(jìn)行不全面檢測(cè)的缺點(diǎn)，而且是一種采用高科技手段，以其高分辨率和高準(zhǔn)確率、能快速、高效的進(jìn)行無損檢測(cè)的方法，在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。雖然地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但我今天就檢測(cè)過程中所遇到的問題（雷達(dá)波速的標(biāo)定、地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇、地質(zhì)雷達(dá)圖像的定位等問題）、檢測(cè)設(shè)備所存在的問題（隧道檢測(cè)專用檢測(cè)車的購置或

3、設(shè)計(jì)問題）、后處理問題（缺陷中空洞的準(zhǔn)確定位、標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的建立）等均有待進(jìn)一步得到解決。以下就上述問題說一些自己淺顯的看法。1波速標(biāo)定問題-直接法（已知厚度反求速度法） 1.1鉆芯法測(cè)混凝土襯砌厚度在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的測(cè)線上，用鉆機(jī)在混凝土上鉆透襯砌混凝土，然后再用尺量出混凝土襯砌的實(shí)際厚度(d)，并從地質(zhì)雷達(dá)圖像上讀出鉆取位置處襯砌混凝土反射層面的雙層走時(shí)，再根據(jù)式(1)即可求出波速。 式（1） 隧道初襯鉆芯檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片（圖一） 1.2利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度 使用激光斷面儀對(duì)隧道二襯前斷面進(jìn)行檢測(cè)，待二襯完成后在同一斷面再次進(jìn)行檢測(cè)，通過相同位置兩次檢測(cè)結(jié)果的差值，可得出檢測(cè)斷面二襯的準(zhǔn)

4、確值。再根據(jù)式（1）利用此準(zhǔn)確值對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在二襯混凝土中傳播的波速進(jìn)行標(biāo)定。 BJSD-型激光斷面儀（圖二）臨合三標(biāo)雙城隧道ZK19+435處初襯斷面（圖三）臨合三標(biāo)雙城隧道ZK19+435處二襯斷面（圖四） 由圖三和圖四可知，同一斷面處厚度差值為0.5+0.178-0.092=0.586（m）（圖三拱頂處比圖四拱頂處設(shè)計(jì)斷面半徑大0.5m）。 臨合三標(biāo)雙城隧道ZK19+435處雷達(dá)厚度圖像（圖五）由圖五可知，臨合三標(biāo)雙城隧道ZK19+435處雷達(dá)波雙程走時(shí)為12ns，根據(jù)式（1）求出波速為0.098m/ns。 已知整個(gè)檢測(cè)斷面的初支/二襯厚度，可將不同測(cè)線在此斷面的波速分別求出，再對(duì)其進(jìn)行綜

5、合分析，求出綜合的波速值。從這點(diǎn)出發(fā)，要比鉆芯法求襯砌厚度的方法在科學(xué)性、準(zhǔn)確性（精度）上都優(yōu)越得多。2.混凝土齡期對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的影響問題 由相關(guān)文獻(xiàn)知：利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷體時(shí)，混凝土齡期越短，探測(cè)缺陷體的效果越好。這就說明隨混凝土齡期的不同，其介電常數(shù)是有差異的。從而提出齡期對(duì)雷達(dá)波速有影響的問題。（探地雷達(dá)在對(duì)介電常數(shù)小，電阻率大的介質(zhì)進(jìn)行探測(cè)時(shí)效果會(huì)比較理想） 但我們?cè)趯?shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，某些含水量較大的隧道，二襯施工時(shí)間較短的話，探測(cè)出的雷達(dá)信號(hào)是十分不理想的。對(duì)于十分敏感的電磁波，二襯混凝土含水量的多少對(duì)于探測(cè)結(jié)果干擾較大。臨合六標(biāo)曬經(jīng)灘隧道左線進(jìn)口邊墻處二襯圖像齡期約為1

6、4天（圖六）臨合六標(biāo)曬經(jīng)灘隧道左線進(jìn)口邊墻處二襯圖像齡期約為6個(gè)月（圖七） 由圖六和圖七可知，某些含水量較大的隧道，齡期越長(zhǎng)，雷達(dá)檢測(cè)圖像約清晰，雷達(dá)檢測(cè)效果越好。3地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇問題 頻率高的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻高、分辨率高、精度較高、能量衰減較快、探測(cè)深度較淺；頻率低的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻低、分辨率低、精度相對(duì)較低、能量衰減較慢、探測(cè)的深度較深。各頻率天線詳見表1、所示。表1 不同天線的穿透深度序號(hào)天線 (MHz)土壤中(m)巖石中(m)備注12525402502030310012204200815525051065003.55780023.5810001.53RAMAC型地質(zhì)雷達(dá)各頻

7、率天線（圖八）因此，選用天線時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道混凝土厚度及檢測(cè)要求來確定天線的頻率，詳見表2。表2 檢測(cè)厚度與天線頻率選擇對(duì)照表序號(hào)探測(cè)目標(biāo)及深測(cè)深度（cm）天線頻率（MHz）備注1噴混凝土（1020）800 2模筑混凝土(30100)500 3襯砌背后圍巖（200300）200；100 3.里程的標(biāo)記問題為了保證地質(zhì)雷達(dá)圖像上各測(cè)點(diǎn)的位置與實(shí)際檢測(cè)里程的位置相對(duì)應(yīng)，先在隧道邊墻上用紅油漆每5m作一個(gè)標(biāo)記，標(biāo)注里程以供核對(duì)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，當(dāng)天線對(duì)齊某一標(biāo)記時(shí)，由儀器操作員向儀器輸入信號(hào)，在雷達(dá)記錄中每5作一個(gè)標(biāo)記，同時(shí)，應(yīng)盡量使天線勻速移動(dòng)。由于檢測(cè)時(shí)天線的走向不是真正

8、意義上的直線，而是蛇形前進(jìn)，所以，即使是采用里程輪，也應(yīng)對(duì)記錄的里程與實(shí)際里程進(jìn)行核對(duì)。整理資料時(shí)，根據(jù)標(biāo)記和記錄的首末標(biāo)及工作中間核查的里程，在雷達(dá)的時(shí)間剖面圖上標(biāo)明里程，以保證雷達(dá)圖像點(diǎn)位的準(zhǔn)確。4.隧道專用檢測(cè)車的購置或設(shè)計(jì)目前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隧道雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，多采用裝載機(jī)、挖掘機(jī)或貨車上焊接鋼筋工作臺(tái)的方式提供檢測(cè)平臺(tái)，甚至直接使用隧道施工臺(tái)車提供檢測(cè)平臺(tái)，如圖九、圖十、圖十一所示，這些方式不能很好的使雷達(dá)天線緊貼被測(cè)物表面，亦不能真正意義上使雷達(dá)天線走一條直線，且存在一定的安全隱患，故提出隧道專用檢測(cè)車的購置或設(shè)計(jì)問題。對(duì)于專用檢測(cè)車的要求：以汽車/卡車為載體，在其上架設(shè)特制部件用于安放雷達(dá)

9、天線，為了使天線密貼襯砌表面，在雷達(dá)下部加設(shè)彈簧等結(jié)構(gòu)給天線加力，使其密貼；就目前而言，所檢測(cè)的測(cè)線并非完全意義上的直線，大多存在左右或上下擺動(dòng)，造成天線沿襯砌表面蛇形前進(jìn)或局部存在脫離襯砌表面，所以要在檢測(cè)車上安設(shè)導(dǎo)向裝置，使天線的走向（地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線）成真正意義上的直線。某隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片（圖九）某隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片（圖十）某隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片（圖十一）5.空洞定位問題在隧道襯砌的缺陷判定時(shí)，所采用的地質(zhì)雷達(dá)圖像通常只是某一條測(cè)線所采集到的。眾所周知，地質(zhì)雷達(dá)所采集的圖形并不完全是天線所經(jīng)過測(cè)線剖面的如實(shí)反映，如若在測(cè)線附近存在空洞等缺陷時(shí)，即使不在測(cè)線剖面上，在地質(zhì)雷達(dá)圖像上也會(huì)有反映。當(dāng)存在這種情況時(shí)，如只采用一條測(cè)線對(duì)空洞進(jìn)行精確定位是比較困難的。如若在其空洞位置正交補(bǔ)測(cè)一條或多條短測(cè)線，則可通過兩個(gè)、多個(gè)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行立體分析，可對(duì)空洞進(jìn)行精確定位。但對(duì)于空洞存在的規(guī)模（空洞高度）仍不能準(zhǔn)確定量。這是因?yàn)椋豪走_(dá)波在空洞的波速無法準(zhǔn)確給定；空洞第二界面的反射波特征很難確認(rèn)，雷達(dá)波在空洞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生震蕩信號(hào)，從而導(dǎo)致空洞的高度無法準(zhǔn)確定量。6.標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的建立由于標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的欠缺，造成相同的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像，由不同的人判讀，會(huì)得出不同的結(jié)果。這就提出要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)圖譜，對(duì)各種可能的情況（空洞、不密實(shí)、含水及分層等情況）經(jīng)過試驗(yàn)，做出標(biāo)準(zhǔn)圖譜，