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(wèn)題課件

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(wèn)題

主講人：仇文革教授二OO五年六月二十一日隨著國(guó)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(yíng)過(guò)程中暴露出來(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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。前言雖然地質(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，但就檢測(cè)過(guò)程中所要特別注意的問(wèn)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(wèn)題）、檢測(cè)設(shè)備所存在的問(wèn)題（地質(zhì)雷達(dá)天線的輕型、小型化以及隧道檢測(cè)專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì)等問(wèn)題）、后處理問(wèn)題（缺陷中空洞的準(zhǔn)確定位、標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫(kù)的建立、檢測(cè)結(jié)果的快速及可視化等問(wèn)題）等均有待進(jìn)一步得到解決。以下就上述問(wèn)題開(kāi)展一些討論。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。波速標(biāo)定問(wèn)題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1鉆芯法測(cè)混凝土襯砌厚度式（1）波速標(biāo)定問(wèn)題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度

圖4初支/二襯厚度檢測(cè)示意圖圖5拱頂測(cè)線處厚度及雷達(dá)圖像從圖5可知，d=0.236m，雷達(dá)波雙程走時(shí)為4ns，根據(jù)式（1）求出波速為0.118m/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。波速標(biāo)定問(wèn)題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1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)隧道開(kāi)挖輪廓或襯砌凈空進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖6～9），不僅可以對(duì)地質(zhì)雷達(dá)波速進(jìn)行標(biāo)定，而且還可以評(píng)價(jià)隧道開(kāi)挖及隧道凈空是否滿足設(shè)計(jì)要求。從而達(dá)到了多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目相結(jié)合的效果。

圖6新建公路隧道斷面檢測(cè)照片1圖7新建公路隧道斷面檢測(cè)照片2波速標(biāo)定問(wèn)題1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度

圖8既有鐵路隧道斷面檢測(cè)照片1圖9既有鐵路隧道斷面檢測(cè)照片2波速標(biāo)定問(wèn)題1.2間接法（雷達(dá)寬角速度測(cè)量法）從圖11可知波譜圖像中拋物線的形成原因，在圖中可任取兩個(gè)點(diǎn)對(duì)速度進(jìn)行擬合。由其關(guān)系可推導(dǎo)出速度擬合公式如下：式（2）圖11拋物線成因示意圖波速標(biāo)定問(wèn)題1.3混凝土齡期對(duì)雷達(dá)波速的影響問(wèn)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(shuō)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(wèn)題。地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇問(wèn)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(jiàn)表1、圖12所示。圖12RAMACⅡ型地質(zhì)雷達(dá)各頻率天線序號(hào)天線(MHz)土壤中(m)巖石中(m)備注1252540

2502030

31001220

4200815

5250510

65003.55

780023.5

810001.53

表1不同天線的穿透深度里程的標(biāo)記問(wèn)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5ｍ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（見(jiàn)圖13）。里程的標(biāo)記問(wèn)題圖13隧道里程與雷達(dá)標(biāo)記對(duì)照示意圖如圖13所示，如若每米作1個(gè)標(biāo)記，即使檢測(cè)速度不一致，也可準(zhǔn)確定出隧道每米的準(zhǔn)確位置；每5米作1個(gè)標(biāo)記，能確定每5米處的準(zhǔn)確位置，而每5米間只能通過(guò)平均處理來(lái)確定每米的位置，若5米內(nèi)的速度存在差異，將會(huì)導(dǎo)致隧道每米的準(zhǔn)確位置不能確定，見(jiàn)圖13(b)、（c)及圖14。圖14實(shí)測(cè)雷達(dá)圖像上標(biāo)記地質(zhì)雷達(dá)天線輕型化、小型化技術(shù)從事地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)人員均有深刻體會(huì)：特別是進(jìn)行隧道拱部的各測(cè)線檢測(cè)時(shí)，天線密貼襯砌表面變成極困難的事情。原因：一是目前還未有專門用于隧道檢測(cè)的檢測(cè)車，使扶天線的工作成為高空作業(yè)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)常借助裝載機(jī)或挖掘機(jī)進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖15～20）；二是目前采用的天線重量、體積均較大（特別是低頻率天線）。往往造成扶天線的工作人員不堪重負(fù)。

圖15新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱腳）圖16新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）1

地質(zhì)雷達(dá)天線輕型化、小型化技術(shù)圖19新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）4圖20既有鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，可將電池供電改為外部供電（電瓶等）以減輕雷達(dá)天線的重量。在天線原材料選擇時(shí)，可選取輕質(zhì)、硬度大的材料。隧道專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì)上面已提出：對(duì)于新建或既有隧道的拱部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，密貼天線在襯砌表面是很困難的。其中最主要的一個(gè)原因就是作業(yè)人員無(wú)專用操作臺(tái)，不便操作造成的。目前常采用的辦法是在汽車上搭設(shè)鋼管架或利用檢修車等作為檢測(cè)車（見(jiàn)圖20、21、22）。為了今后隧道檢測(cè)工作的方便，從而提出隧道專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì)問(wèn)題。圖21汽車上搭設(shè)鋼管架簡(jiǎn)易檢測(cè)車圖22公路隧道檢修車隧道專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì)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)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?？斩炊ㄎ粏?wèn)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(guò)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(guò)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(wú)法準(zhǔn)確給定；空洞第二界面的反射波特征很難確認(rèn)，從而導(dǎo)致空洞的高度無(wú)法準(zhǔn)確定量。測(cè)試規(guī)程的制定、標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫(kù)的建立由于目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)程，現(xiàn)在均是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理分析，造成了對(duì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果評(píng)判的混亂。如果處理不當(dāng)，容易造成對(duì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤解，可能會(huì)制約地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用前景。因此，應(yīng)盡快制定相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程以適應(yīng)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)展的需要。同時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫(kù)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(guò)試驗(yàn)，做出標(biāo)準(zhǔn)圖譜，供判讀圖像的檢測(cè)人員參照，以避免讀出錯(cuò)誤的結(jié)果，從而避免錯(cuò)誤檢測(cè)報(bào)告的產(chǎn)生。后處理為了還原地質(zhì)雷達(dá)所檢測(cè)目標(biāo)及缺陷的實(shí)際情況，使成果能讓人一目了然，要求對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖像進(jìn)行3D處理（見(jiàn)圖23、24），達(dá)到檢測(cè)結(jié)果的可視化效果。圖23E