隧道衬砌地质雷达无损检测技术

隧 道 衬 砌 质 量 地 质 雷 达 无 损 检 测 技 术 1 前言 1 1 工艺概况 铁路隧道衬砌是隐蔽工程 用传统的目测或钻孔对其质量进行检测有较大 的局限性 应用物理勘探的方法对隧道衬砌混凝土进行无损检测 可取得快速 安全 可靠的效果 1 2 工艺原理 电磁反射波法 地质雷达 由主机 天线和配套软件等几部分组成 根据 电磁波在有耗介质中的传播特性 当发射天线向被测介质发射高频脉冲电磁波 时 电磁波遇到不均匀体 接口 时会反射一部分电磁波 其反射系数主要取决 于被测介质的介电常数 雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理 达到探测识别目标物体的目的 图 1 图 1 地质雷达基本原理示意图 电磁波在特定介质中的传播速度是不变的 因此根据地质雷达记录的电 磁波传播时间 T 即可据下式算出异常介质的埋藏深度 H 1 HVT 2 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 1 式中 V 是电磁波在介质中的传播速度 其大小由下式表示 2 VC 式中 C 是电磁波在大气中的传播速度 约为 3 0 108m s 为相对介电常数 不同的介质其介电常数亦不同 雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比 在以位移电流为主的低损耗介 质中 反射系数可表示为 3 21 r 反射信号的强度主要取决于上 下层介质的电性差异 电性差越大 反射 信号越强 雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率 电导率越高 穿透深度越小 频率越高 穿透深度越小 2 工艺特点 电磁反射波法 地质雷达 能够预测隧道施工中衬砌的各种质量问题 分 辨率高 精度高 探测深度一般在 0 5m 2 0m 左右 利用高频电磁脉冲波的反 射 中心工作频率 400MHz 900 MHz 1500 MHz 采用宽带短脉冲和高采样率 分辨率较高 采用可调程序高次迭加和多波处理等信号恢复技术 大大改善了信噪比和 图像显示性能 1 操作简单 对工作环境要求不高 2 对衬砌隐蔽工程质量问题性质判断一般精度较高 分辨率可达到 2 5cm 检测的深度 结构尺寸以及里程偏差或误差小于 10 缺陷类型识别 准确度达 95 以上 3 通过专业的 RADAN 6 0 分析软件 专业的技术人员可以迅速的完成数 据处理等 3 适用范围 地质雷达有其适用范围和适用条件 目标体与周围介质是否存在足够的电 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 2 性差异 是探测工作是否有效的前提 这种电性差异就是介电常数 应根据不 同的检测对象和检测要求选用不同的天线类型 适用条件 探测的目标体与周 围介质有较大的介电常数差异并具有较好的反射条件 上覆层导电性较弱 目 标体具有一定的体积 引起的异常有一定的强度 具有一定的探测对比资料 该技术适用于隧道衬砌质量施工过程控制和竣工验收的无损检测 4 主要引用标准 高速铁路隧道工程施工质量验收标准 TB 10753 2010 铁路隧道工程施工质量验收标准 TBl0417 2003 铁路隧道衬砌质量无损检测规程施工规范 TB10223 2004 铁路工程物理勘探规程 TB10013 2004 岩土工程勘察规范 GB50021 2001 云桂铁路石林隧道地质雷达无损检测实施细则 云桂铁路石林隧道相关设计图纸以及相关施工资料 5 施工方法 1 检测前的准备工作 收集隧道工程地质资料 施工图 设计变更资料和施工记录 进行现场调查 做好测量里程标记 检测时应遵守有关安全规定 配备必要的安全防护人员及设备 2 检测设备 照明机具工作电源要保证电量充足 能够保证一天的正常 使用 3 雷达主机 显示器 天线 电缆等设备之间连接良好 设备工作正常 4 需要分段测量时 相邻测量段接头重复长度不应小于 1m 5 提前准确标记检测位置里程 提前采用红油漆每隔 5m 做一个标记 标 记高度为轨面或路面上 1m 左右 现场检测时标记为 5m 单标的里程标记方式 记录标记里程与现场标记里程允许误差 10cm 6 测线布置应符合下列规定 隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主 环向布线为辅 存在问题地 段需要加密检测时布置环向测线 雷达测线横断面布置如图 2 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 3 纵向布线的位置应在隧道拱顶 左右拱腰 左右边墙和隧底各布 1 条 环向布线可按检测内容和要求布设线距 一般情况线距 5 10m 采用点测时每断面不少于 6 个点 检测中发现不合格地段应加密测线或测 点 三线隧道应在隧道拱顶部位增加 2 条测线 7 检测前 应先搭建隧道衬砌雷达检测台车或采用检测车 以便天线能 到达检测测线位置 雷达检测台车现场检测方式见图 3 8 现场要求准确记录检测测线的高度和水平位置 准备受检隧道设计衬 砌厚度 其中边墙衬砌设计厚度按内轨顶面以上 1 0m 计 格栅 拱架设计区段 及间距 围岩类型等资料 供现场数据采集参数设置和后期资料处理使用 9 雷达天线频率的选择及测线的布置 根据以往进行地质雷达检测的经验 采用高频天线检测精度较高 但测量 范围较小 采用低频天线检测精度较低 但测量范围较大 因此 针对本次检 测的内容 决定采用 400MHz 或 900MHz 的雷达线 6 条测线 在现场利用工程 检测车以小于 5 公里 小时的车速进行检测 对于有疑问处 采用钻芯取样进行 破检检测 左边墙 左拱腰 右边墙右拱腰拱顶仰拱 图 2 雷达测线横断面布置图 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 4 检 测 车 图 3 现场检测方式示意图 10 介质参数的标定 1 检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定 且每座隧道 应不小于 1 处 每处实测不少于 3 次 取平均值为该隧道的介电常数或电磁波 速 当隧道长度大于 3km 衬砌材料或含水量变化较大时 应适当增加标定点 数 2 标定可采用下列方法 在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量 在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量 钻孔实测 3 求取参数时应具备以下条件 标定目标体的厚度一般不小于 15cm 且厚度已知 标定记录中界面反射信号应清晰 准确 4 标定结果应按下式计算 2 3 0 dtr 91 t 式中 相对介电常数r 电磁波速 m s v 双程旅行时间 ns t 标定目标体厚度或距离 m d 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 5 6 工艺流程及操作要点 6 1 工艺流程 衬砌质量地质雷达无损检测工艺流程如图 4 检测前的准备 清理检测场地 确保无障碍物 每 5m 做一个里程标记 检测前 检查里程标记有无遗漏 连接主机和 天线 现场调整参数调试采集信号 检测过程 首先确保雷达天线和衬砌混凝土表 面密贴 然后采用每小时 3KM 的时速匀速移动 每 5m 在对应里程处打一标记 软件后处理 将采集的原始数据通过软件后处 理 设置零线 介电常数 滤波等 资料解释 将软件后处理的结果和设 计资料对比 得出检测数据和结论 反馈施工 图 4 衬砌质量地质雷达无损检测工艺流程 6 2 操作要点 1 现场检测人员要保证雷达天线密贴衬砌表面行进 2 现场检测人员密切配合 保证天线实际检测位置与标记线位置吻合 3 检测天线应移动平稳 速度均匀 考虑仪器扫描速度与实测条件 天线 移动速度宜为 3 5km h 匀速前进 4 现场记录要保证记录测线号 方向 标记间隔及天线类型等 随时记录 现场产生电磁波干扰的物体 如渗水 电缆 铁架等 及其位置 5 纵向布线应采用连续测量方式 扫描速度不得小于 40 道 线 s 特殊地 段或条件不允许时可采用点测方式 测量点距不得大于 20 cm 6 建立完善的衬砌质量无损检测工作管理制度 按照建设标准化管理体系 招标文件 技术指南以及相关规范规定的要求和现场实际情况 开展检测工作 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 6 7 定期对检测设备 仪表性能进行检查 确保在使用过程中一切设备运转 正常 8 地质雷达无损检测资料是反映工程质量的重要依据之一 现场检测技术 资料应随施工进度同步整理 按类型 时间归类 并保证及时 准确 真实 不得私自涂改 仿造 随意抽换 销毁 丢失 资料应做到内容齐全真实 书 写字迹端正清楚 9 检测人员员对各种原始记录都要认真保存 对上级主管部门发给的质量 标准和有关安全 质量方面的通知 应及时转发给现场工程技术负责人 10 隧道衬砌中各类缺陷判析 1 衬砌背后回填密实度的主要判别特征 密实 信号幅值较弱 甚至没有界面反射信号 空洞 衬砌界面反射信号强 三振相明显 在其下部仍有强反射界面信号 两组信号时程差较大 不密实 衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形 且不连续 较分散 2 钢架 钢筋位置分布的主要判别特征 钢架 分散的月牙形强反射信号 钢筋 分散的倒 V 字型反射信号 3 地质雷达法的采集数据质量检查为检测总工作量的 5 检查资料与被 检查资料的雷达图像应具有良好的重复性 波形基本一致 异常没有明显位移 4 检测资料质量评定应符合下列规定 衬砌背后回填密实度和空洞的检查点相对误差小于 10 为合格 衬砌混凝 土厚度的检查点相对误差小于 15 为合格 合格的检查点数大于总检查点数量的 90 为合格 7 劳动力组织 衬砌质量地质雷达无损检测组劳动力组织见表 1 表 1 衬砌质量地质雷达无损检测组劳动力组织表 人 员 人数 主 要 任 务 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 7 负责人 1 全面负责检测工作的协调 组织 安排工作 技术主管 1 全面负责无损检测技术相关工作 隧道专业工程师 1 负责指导现场布置检测测线 负责检测基础数据收集 里程标记 特殊段落等 协助作业工人 5 负责整个检测过程的配合工作 8 主要机具设备 主要设备配置见表 2 表 2 综合地质雷达无损检测主要设备配置表 序号 设备名称 型号 数量 备 注 1 电磁反射波 地质雷达 SIR 3000 1 套 2 检测台车 1 台 自制或外购 9 质量控制 9 1 易出现的质量问题 1 现场检测准备工作准备不充分 障碍物过多 导致检测过程中易出现 漏检 2 里程标记有较大误差 导致检测结果和实际不相符 3 衬砌检测结果判释人员经验不足 资料分析有偏差 4 检测结果的反馈渠道不畅通 不及时 9 2 保证措施 1 实现对建设单位的质量承诺 严格按照合同条款要求及现行规范标准 组织开展工作 2 在施工过程中 以设计文件 技术指南以及现行规范标准为依据 按 建设标准化管理体系 通过对地质雷达无损检测要素和关键程序的控制 切 实落实检测责任制 检测工作要责任到人 对地质雷达无损检测方法按工序严 加施做 保证工程施工质量合格 3 定期对各种仪器 仪表等进行标定 专人负责管理 严格按仪器说明 进行现场操作 确保数据的可靠性 4 对采集数据及时处理 形成的检测成果及时汇报 对质量问题较大的 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 8 地段要第一时间上报 密切关注现场验证情况 确保检测成果的准确性和指导 性 保证施工适量 5 对各种检测原始数据 现场照片 会议记录等重要资料分门别类汇总 归档 以利于检测工作的验收 10 安全措施 10 1 检测台车的防护措施 1 检测车上搭建的临时作业平台 为确保检测人员 机械和设备在检测 台车行走过程中的安全 临时作业平台要有足够的刚度 强度和稳定性 并和 检测车连接牢固 2 检测车不可以急行 急停 要听从检测人员的统一指挥 慢起 慢停 3 在路面凹凸不平的地段 在确保检测车安全通过后 方可进行下一步 的检测工作 4 检测工作完成后 现场为检测目的所搭建的临时设施应全部拆除 辅 助材料应统一收集 处理 使检测现场恢复原状 确保安全 10 2 检测现场应急措施 1 检测现场应配备应急照明灯和应急通讯设备 2 检测现场发生意外时 应迅速采取救援措施 并立即向上级单位报告 情况 力争将损失降到最低 11 应用实例 地质雷达无损检测典型图例 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 9 图 5 衬砌背后脱空 图 6 衬砌背后不密实 图 7 衬砌背后脱空 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 10 图 8 衬砌背后不密实脱空 图 9 衬砌背后不密实脱空 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 11 图 10 衬砌欠挖 初期支护有钢筋网片 图 11 衬砌欠挖 初期支护有钢筋网片和拱架 图 12 衬砌欠挖 素混凝土 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 12 图 13 仰供下部不密实 素混凝土 图 14 仰供下部有钢筋和无钢筋过渡段 图 15 衬砌钢筋保护层厚度不足 隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术 石林隧道标准化施工工艺 13 图 16 衬砌钢筋 典型探测数据 图 17 初期支护拱架探测 典型探测数据 12 工程结果评价 云桂铁路石林隧道衬砌施工过程中 通过地质雷达无损检测及时发现问题 及时处理 确保交付一个合格的工程实体