隧道工程檢測中雷達技術的應用
2015-07-29
地質雷達工作的物理基礎是在1928年由德國人根據電磁波在不同介電常數的介質界面產生反射，從而提出運用脈沖技術確定地底下目標的思路。對著電子技術的不斷發(fā)展，地質雷達在物理探測中得到了廣泛的應用。90年代以來，我國引進了大量的國外儀器，在地質勘查、無損檢測以及建筑結構檢測中得到了廣泛的應用。地質雷達探測是一種新型的無損檢測方法，與傳統的探測方式相比，地質雷達探測具有無損性、高效便捷和抗干擾能力強等優(yōu)點。近年來，在隧道工程施工的過程中得到了廣泛的應用。本文對地質雷達探測技術的相關要素進行簡述，以供參考。
二、地質雷達性能簡介
2.1地質雷達性能
地質雷達法為電磁波反射探測法，即波源是由電磁振蕩所產生的電磁波主動源。對應儀器所使用的頻率為15～2600MHz，其空氣中的波長為18.75～0.115m。根據電磁波劃分方法，地質雷達波屬于高頻～特高頻段（短波～微波段）。電磁波進入地下后，速度變慢，波長對應縮短約2.5倍，變?yōu)?.5～0.046m，相當于甚高頻～微波段（VHF～UHF）。在隧道常用的100～900MHz頻段中，低頻段主要用于地質探測、超前地質預報，高頻段主要用于隧道襯砌與支護結構檢測。頻率越高，波長越短，分辨率越高，但探測深度變??；反之亦然。通常，400、900MHz常用于隧道結構參數檢測，100、200MHz多用于隧道下部結構或深部較大目標或層狀目標探測。地質雷達法與聲波法相比，由于其工作效率高、探測項目內容廣、顯示直觀、分辨率高、多解性更小、能夠進行高速連續(xù)掃描探測并實時顯示，故得到更加廣泛的應用。
2.2地質雷達影響因素
地質雷達波通過的地下介質為電介質，按照介質的分類，通常認為σ/ωε≤0.01的介質是電介質（位移電流為主），σ/ωε≥100的介質是良導體（傳導電流為主），0.01＜σ/ωε＜100的介質視作不良導體或半導體，其中σ、ω、ε分別為電導率、角頻率和介電常數。對于σ＞10－2s/m的介質，如軟泥、飽和砂礫層、濕的泥巖、海水等，探地雷達探測困難；而σ＜10－7s/m則是極好的探測條件，如空氣、干燥的花崗巖、石灰?guī)r、混凝土、瀝青或瀝青混合料、砂巖等；10－7≤σ≤10－2s/m的介質為中等探測條件，如淡水、雪、砂、粉砂、干粘土（干泥）、永久凍土等。
三、檢測指標體系及其要求
3.1檢測指標體系
現行《公路工程質量檢驗評定標準》《交通運輸部辦公廳關于印發(fā)公路工程竣工質量鑒定工作規(guī)定（試行）的通知》及其他相關技術規(guī)范中，對各項指標作了嚴格規(guī)定。
3.2對檢測指標的要求
3.2.1次襯砌及初期支護厚度
根據現行TB10223―2004《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規(guī)程》的評定要求，襯砌厚度相對誤差應小于15%。一般情況下襯砌厚度會遠小于此誤差規(guī)定要求，故可作為總體誤差控制目標。
3.2.2配筋
雷達可清晰反映2次襯砌中的配筋，尤其是其布設較規(guī)范時，可分段提供第1層鋼筋（內緣筋）的數量和深度，且誤差較小。但被第1層所屏蔽的第2層鋼筋尚無法提供其數量，但多數情況下可評估有無第2層配筋。
3.2.3噴射混凝土厚度
當初期支護中未設置鋼支撐時，原則上雷達檢測不能單獨提供噴射混凝土厚度，若確有必要提供，則需結合外觀觀測和局部破檢進行評估。施作2次襯砌后由雷達檢測所提供的噴射混凝土厚度，其誤差較大，原則上不宜提供，僅供評估參考。
四、檢測過程與技術要求
對于隧道檢測測線位置及數量的確定，按照合同要求并參照隧道地質雷達檢測范例和現行TB10223―2004，一般均沿隧道走向分別在拱頂、左右拱腰、左右兩側邊墻、路面布置6條縱向測線進行連續(xù)掃描探測，從而可獲取對應測線附近的襯砌混凝土厚度數據及其他相關資料。另外，測線數量可按不同要求進行調整。通常要求提供以下檢測信息。
1）襯砌厚度數據可按拱頂、左右拱腰、左右兩側邊墻5條縱向測線間隔5m或10m列表，并進行統計；2車道隧道不低于3條測線，3或4車道隧道不低于5條測線。但鐵路隧道一般要求不低于6條縱向測線，即底部還要求另有1條。鑒于現場操作的便捷性和探測效果，一般以縱向測線為主，橫向測線為輔。
2）對其他檢測項目予以定量或定性描述，并給出其起止樁號、起止深度。
3）檢測深度一般在2.0m內，特殊情況在10m內。
4）打印典型斷面雷達回波彩圖。
5）按縱向測線繪制襯砌厚度圖。
6）繪制有關缺陷的隧道展開平面圖，并進行有關缺陷的對應描述。
7）病害診斷與分析評估。
五、實際應用情況
1）實際應用中，對于孤立的空洞目標，當使用的雷達頻率很低時，即其波長相對于擬探測對象尺寸很大時，雷達灰度圖上基本無反應或至多是1個強反射點（白點），不易于分辨解釋。如使用100MHz工作頻率探測隧道仰拱中直徑為30cm的中心排水管，這時雷達在空氣中的波長為300cm，若仰拱填充層混凝土的綜合相對介電常數按11計算，則仰拱填充層中的波長為90cm。由于波長較長和天線發(fā)射角影響，對淺埋的中心排水管反應不明顯，有時雖出現強反射點，但不能構成反射弧。
2）當使用的雷達頻率較低時，即其波長相對于擬探測對象尺寸較大時，雷達灰度圖上是1個強反射點（白點）。如使用400MHz工作頻率探測隧道襯砌混凝土中直徑為20cm的空洞，這時雷達在空氣中的波長為75cm，C20混凝土的相對介電常數按8計算，則混凝土中的波長為26cm（大于空洞尺寸）。這時在普查式檢測方式下雷達圖像中空洞部位雖出現顯著的強反射點（帶），但不能構成反射弧。
3）當使用的雷達頻率較高時，即其在相應介質中的波長顯著小于擬探測對象尺寸時，雷達灰度圖上出現典型的反射弧。如使用400MHz工作頻率探測隧道襯砌混凝土中直徑為60cm的空洞，這時雷達在空氣中的波長為75cm，C20混凝土的相對介電常數按8計算，則波長為26cm，顯著低于空洞直徑。這時在一般檢測方式下雷達圖像中空洞部位出現較典型的反射弧或強反射條帶。
六、結論
1）地質雷達在隧道施工、交竣工驗收、病害診斷和處治中可發(fā)揮積極有效的作用。
2）地質雷達能有條件地進行襯砌與支護結構的相關檢測，2次襯砌與初期支護檢測分別在各自對應的施工階段進行效果最佳。
3）雖然天線密貼在2次襯砌表面實施的檢測可分辨出初期支護中的有關結構參數，但不可能是全部信息，如在配筋后的2次襯砌表面檢測初期支護中的鋼支撐時，由于受配筋的屏蔽影響，雷達回波圖中反應不清楚或根本無法分辨。
4）初期支護未設置鋼支撐時，要結合外觀觀測和局部破檢提供噴射混凝土厚度和整體評價，否則誤差較大或根本不能單獨依靠雷達檢測提供數據。
5）對空洞或結構層之間脫空的定性描述，建議對其平面范圍進行縱橫向上的樁號或寬度定位，提供對應位置的2次襯砌厚度實測值和變化范圍，脫空高度作為估值供參考用。
6）探地雷達較高分辨率時的探測深度較為有限，一般高頻段用于結構檢測，相對低頻段用于仰拱探測、地質探測或超前地質預報。
