雷達在隧道工程質(zhì)量檢測應(yīng)用效果

/透地雷達在隧道工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用效果廣東省華南工程物探技術(shù)開發(fā)總公司孟凡強梁培新葛如冰前言隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)工程建設(shè)也進入了一個飛躍發(fā)展的嶄新階段，各種隧道工程的建設(shè)也日益增多。但對于隧道襯砌的厚度、完整性等的質(zhì)量檢測基本上還是應(yīng)用傳統(tǒng)的鉆芯法。這些方法對隧道襯砌有所破壞，且檢查的頻度低，速度慢，評價的代表性也比較差，很難比較全面地發(fā)覺潛在的質(zhì)量隱患，且對于有些部位如拱頂部位由于難以進行施工而無法進行檢測。因此尋求一種無損、高效且高精度的檢測方法是現(xiàn)在的高技術(shù)時代對我們提出的一個新課題。鑒于隧道的襯砌工程和公路的路面工程有類似的地球物理模型，我們借鑒透地雷達在公路工程質(zhì)量檢測中的一些成果、技術(shù)和閱歷，將透地雷達探測技術(shù)在廣東某供水工程的隧道襯砌的質(zhì)量檢測中進行了應(yīng)用，在對隧道的襯砌混凝土厚度、襯砌混凝土的膠結(jié)密實狀況（是否存在明顯蜂窩空洞等）以及襯砌混凝土和圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的檢測方面取得了良好的效果。本文即對上述應(yīng)用成果進行詳細的介紹。一、方法原理：透地雷達技術(shù)屬于地球物理探測技術(shù)中的范疇。地球物理探測技術(shù)是依據(jù)被探測體內(nèi)的不同介質(zhì)具有不同的物理性質(zhì)（如電阻率、彈性波速、介電常數(shù)等）的差異進行探測的。詳細到透地雷達，它是以被探測體內(nèi)的不同介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)差異進行探測的。在進行探測工作時，它利用表面天線T將高頻電磁波（主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式送入被探測體內(nèi)部，該電磁波在被探測的介質(zhì)內(nèi)部傳播時，會發(fā)生不同程度的衰減，遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)分界面時，就會發(fā)生反射，反射波返回被探測物體的表面，為接收天線R所接收（圖1）后被采集進入儀器進行顯示、存儲。通過處理分析所采集的反射波的頻率、幅度和相位等信息，便可得到不同介電常數(shù)的介質(zhì)分界面的深度及目的反射物的分布范圍等參數(shù)。和本工程隧道透地雷達檢測有關(guān)的介質(zhì)的相對介電常數(shù)見表1。圖2a是透地雷達在隧道檢測中接收到的志向波形，計算襯砌層底面反射波和表面反射波之間的走時時差t(ns)，已知電磁波在襯砌混凝土中的傳播速度（可依據(jù)表1或由鉆孔標定取得）v(m/ns)，即可求出襯砌層的厚度h(m)=v·t/2。但實際得到的波形和此有較大的差異（圖2b），主要由以下緣由引起：一是電磁波在介質(zhì)內(nèi)的非線性衰減和電磁波的自身回波干擾；二是襯砌砼層內(nèi)散布的鋼筋、大粒石塊等異樣體的干擾；三是襯砌砼層內(nèi)存在的空洞、膠結(jié)不密實及由于襯砌砼層和圍巖膠結(jié)不密實而存在的脫空等異樣體的干擾，四是測量中隧道內(nèi)其他物體的一些干擾。細致分析實際得到的波形，便可以從中得到襯砌混凝土的膠結(jié)密實狀況圖1透地雷達檢測的原理圖2透地雷達檢測單道曲線表1介質(zhì)的相對介電常數(shù)和波速值介質(zhì)相對介電常數(shù)r電磁波速v(m/ns)備注空氣10.3混凝土6.40.12粘土8-120.095花崗巖4(9)0.15(0.1)灰?guī)r70.11砂巖4-60.15二、檢測應(yīng)用實例1、襯砌混凝土的厚度檢測圖3是透地雷達在廣東某供水工程某隧洞內(nèi)拱頂所做的一段厚度檢測的成果。在厚度的檢測方面，隧道襯砌和公路路面的透地雷達厚度檢測是類似的。圖的上部是實測雷達剖面，該隧洞設(shè)計為兩層襯砌砼，初襯設(shè)計為12cm厚的C20噴射砼,二襯設(shè)計為25cm的C20砼從實測剖面看，襯砌砼層（初襯加二襯）和其后面圍巖間的反射界面既清晰又連續(xù)，初襯和二襯之間也有較清晰連的反射界面，這反映了初襯和二襯之間的介質(zhì)差別較大。圖3的下部是經(jīng)過抽芯標定速度后追蹤所得的說明厚度曲線。經(jīng)標定后的襯砌砼層的電磁波傳播速度為0.122圖3廣東某供水工程某隧洞襯砌層厚度檢測結(jié)果2、襯砌混凝土的膠結(jié)密實狀況檢測圖4是是透地雷達在廣東某供水工程隧洞內(nèi)拱頂所做的一段襯砌混凝土膠結(jié)密實狀況檢測的成果。從實測剖面圖上可以看到，在檢測段的kx+217-kx+225處在比較連續(xù)一樣的襯砌砼層內(nèi)部反射波中出現(xiàn)了強反射波組，反射波振幅明顯增加，且反射波同相軸發(fā)生畸變，呈現(xiàn)處弧形，這些特征表明此處襯砌砼層內(nèi)部出現(xiàn)了比較大的局部不勻整性變更，振幅的明顯增加表明白此處的混凝土膠結(jié)密實度較差。圖4廣東某供水工程隧洞襯砌層混凝土密實性檢測結(jié)果3、襯砌混凝土和圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的檢測圖5是透地雷達在廣東某供水工程供水工程隧洞內(nèi)拱頂所做的一段襯砌混凝土和圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的檢測成果，也即檢測襯砌層灌漿施工后的灌漿效果檢測。從透地雷達實測剖面上可以看到，在檢測段的襯砌層底部的反射波中，kxx+627-kxx+631段的襯砌層底的反射波振幅明顯增加，但襯砌層底的反射波同相軸照舊連續(xù)清晰，形態(tài)未發(fā)生變更。這些特征顯示了襯砌層底部和圍巖之間存在空隙。依據(jù)襯砌層底的反射波振幅的強度狀況可以定性地判定脫空的相對嚴峻程度。輔以確定數(shù)量的標定資料便可以實現(xiàn)脫空的定量化。圖5廣東某供水工程隧洞襯砌層和圍巖之間是否存在脫空檢測結(jié)果3、結(jié)論和建議通過透地雷達在廣東某供水工程的隧道拱頂襯砌的質(zhì)量檢測中的工程實踐，可以得出如下結(jié)論。1、應(yīng)用透地雷達進行隧道襯砌的混凝土厚度、襯砌混凝土的膠結(jié)密實狀況（是否存在明顯蜂窩空洞等）以及襯砌混凝土和圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的質(zhì)量檢測是可行的，是一種連續(xù)、高效、精確的無損檢測方法，檢測可以20km2、在實際進行檢測時，上述三個檢測目的可以通過一次數(shù)據(jù)采集過程來實現(xiàn)，僅須要在數(shù)據(jù)處理說明時對一次采集的數(shù)據(jù)進行不同目的的分析即可。3、由于隧道的襯砌層和公路的路面層是相像的，因此透地雷達在公路路面質(zhì)量檢測中的許多成熟技術(shù)和閱歷可以借鑒到隧道襯砌層的質(zhì)量檢測中來，實際的應(yīng)用也證明白這一點。隧道襯砌工程也有著其不同于公路路面工程的方面，特別是在面層厚度上，隧道襯砌要超出路面層許多。在透地雷達進行厚度檢測的誤差方面，在公路路面上的誤差為≤1.0cm（水泥砼路面）。由于隧道襯砌砼層比公路路面要厚得多，因此其確定誤差大于公路路面上的狀況，但經(jīng)過多個孔的取芯驗證對比，目前的相對誤差為≤5%。因此進一步提高檢測精度是須要深化探討的問題。另外對于隧道襯砌的混凝土強度的無損檢測也是有待于進行深化探討我們信任，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)將廣泛地應(yīng)用于隧道質(zhì)量檢測中，為社會做出更多貢獻。參考文獻1李大新，探地雷達方法和應(yīng)用。北京：地質(zhì)出版社，19942李金銘，羅延中主編。電法勘探新進展。北京：地質(zhì)出版社