地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用.doc

地质雷达在隧道衬砌检测中的应用摘 要： 采用矿山法施工的山岭隧道，其喷锚初期支护作为主要受力结构，二次混凝土衬砌主要作为安全储备，因此注重检测衬砌混凝土层厚度、背后脱空、空洞的位置及形态是十分必要的，便于对缺陷部位采取措施，有效控制了施工质量。通过在蔡大岭隧道初期支护检测中的应用，对雷达波速的标定、雷达波形分析作了全面阐述，结果表明利用雷达检测隧道衬砌中的质量缺陷具有定位准确，快速，无损等优点。关键词：隧道；衬砌；地质雷达；检测Application of geology radar to the quality detecting of tunnel primary supportAbstract: In the mountains in tunnel construction, mainly USES the new Austrian tunneling method, primary support as the main force structure, thus make the shotcrete layer thickness detection becomes necessary. This article through to the geological radar detection principle, and discussed the primary support in CaiDaLing tunnel test, the application of the radar wave velocity of calibration, radar waveform analysis for a full explanation.Key word: initial supporting; detecting of thickness; detecting principle; wave speed of radar1前言隧道因其特有的结构和功能要求，往往施工难度大，容易出现衬砌开裂，渗漏，钢筋网和格栅拱架错断变形，初衬背后脱空，不密实等缺陷，给施工和运营造成相当大的危害，为了避免事故发生，就必须在施工过程中及时发现质量隐患并及时清除，通过地质雷达方法检测正好解决以上问题。它以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法很快得到人们的认可，经过长期实践和不断发展被广泛应用于隧道衬砌质量检测中。 2工作原理地质雷达无损探测方法利用雷达波通过结构、经目标体反射回来的波形差异进行分析处理检测对象。通过发射高频宽带短脉冲电磁波，电磁波遇到具有不同介电特性的介质时有部分返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质的剖面图像。根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数，当存在缺陷时，由于缺陷与良好衬砌或围岩间的介电常数的对比差异，使得缺陷“可见”，这样能精确确定目标体的位置。3检测实例3.1 工程实例3.1.1工程概况大连市202路轨道延伸工程-蔡大岭隧道位于旅顺南路蔡大岭，隧道进口里程DK4+850，出口里程DK6+420，隧道全长1570m。隧道沿旅顺南路傍山而行，在平面上设置两段圆曲线，呈“S”型布置。洞身最大埋深65.7m，整体埋深较浅且存在较长浅埋段，场区主要发育一条北东向断层，南海头-孙家大岭断裂带(F1)，洞身采用复合式衬砌。3.1.2测线布置由于围岩开挖及施工因素，在围岩与初期支护，初期支护与隔水层，隔水层与二次衬砌之间均可能存在一定程度的空洞等缺陷，为了较全面了解隧道衬砌质量，在隧道拱顶、左右拱脚及左右边墙共布置了五条测线，详见图1所示。 图1 测线布置示意图 3.1.3检测方法1）天线选择频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高，精度较高，能量衰减较快，探测深度较浅；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低，精度相对较低，能量衰减较慢，探测的深度较深。因此，选用天线时，根据隧道初期支护喷混凝土设计的厚度及检测要求来确定天线的频率，本次检测的天线频率为1000MHz。2）检测根据要求按图1设置五条测线，为了保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应，在隧道边墙上用红油漆每5m作一个标记，标注里程以供核对，由于雷达天线沿隧道纵向进行检测时，其测线不是真正意义上的直线，而是蛇形前进的，所以，即使是采用里程轮，也应对记录的里程与实际里程进行核对。将天线连接好后，使天线在相应测线位置紧贴隧道壁面，一切准备就绪后，操作仪器，沿测线方向作连续剖面测量，当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号，在雷达记录中每5作一个标记，同时，应尽量使天线匀速移动。整理资料时，根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程，以保证点位的准确。3）速度标定雷达波速是计算衬砌厚度的最重要参数。因隧道衬砌的施工及用料情况不同，混凝土衬砌和喷射混凝土中雷达的传播波速有一定的变化范围，因此，现场实测雷达波速在衬砌中的走行速度是重要的数据参数。速度标定常用的2种方法是：已知厚度反求速度法和雷达宽角速度测量法。本次检测采用的是第一种方法，但对喷混凝土厚度的求得不是常规采用的钻芯等方法，而是借助激光断面仪检测开挖断面及初期支护后净空断面来实现的。即：在隧道开挖后，用激光断面仪对开挖断面进行测量，待初期支护喷混凝土完成后在相同断面作初支后净空断面测量，利用两次测量结果的差值可得出该断面初期支护喷混凝土厚度的准确值，结合地质雷达图像分析得出的脉冲波走时，对喷混凝土内的雷达波速进行标定。3.2 地质雷达波形分析原始的雷达检测资料在未经任何变换、滤波的情况下，是无法得出初期支护喷混凝土厚度、初期支护与围岩间接触状况的。只有通过FFT变换分析，采用数字滤波、反滤波、偏移等处理手段压制随机的和规则的干扰波，突出有用的信息等处理后的雷达图像，再通过对检测波形的时间剖面、波形及振幅的变化规律的对比分析，才能对隧道初期支护喷混凝土厚度、初期支护背后是否存在空洞及不密实等情况进行综合评判。3.2.1 初期支护结构1）初期支护厚度一般情况下，雷达波经发射天线发射后，最先到达接收天线的雷达波为空气直达波，紧接着为表面直达波，再为喷混凝土和围岩胶结面的反射波。反射波能量与围岩和喷混凝土之间的物性差异有关，两者物性差异越大，反射波能量就越强，反之，其能量就越弱。在地质雷达图像中振幅较强、同相轴比较连续的波就是喷混凝土和围岩界面的反射信号，在该界面上读取的即为喷混凝土厚度（见图3）。从图3中波形可知，在喷混凝土与围岩反射界面后的围岩明显分为两层，紧靠喷混凝土后面的是采用42注浆小导管超前预支护所形成的加固区，最后才是未受振动的围岩，这也是由于加固区与未受振动围岩间存在物性差异而反映出来的。2）格栅钢支撑当混凝土中存在钢筋时，将产生连续点状强反射信号；当混凝土中有钢拱时，将出现特别强的月牙形反射信号，每一信号表示有一钢拱；当混凝土中有格栅钢支撑时，格栅的信号与其形状有关，雷达波产生的反射信号类似于倒写的W，每一个这样的信号对应一榀格栅钢支撑（见图4）。 喷混凝土与围岩界面反射层呈倒W形的格栅支撑图3 右拱脚K5+350375段喷混凝土厚度 图4右边墙K5+630650段格栅钢支撑3.2.2 初期支护与围岩接触情况1）接触良好无空界面是指衬砌背后无空隙，混凝土与围岩密贴较好，此时界面清晰程度取决于混凝土与围岩粘贴紧密程度以及介电常数差异大小，反射强不是很大，信号较弱，但通过滤波处理和同相位追踪还是清晰可辨，并可通过雷达专用处理软件读出衬砌厚度。由图3、图4的波形图可知，整个雷达图形中，存在明显的三层（初期支护喷混凝土、围岩加固区及围岩未振动区），喷混凝土与围岩接触良好。2）存在空洞或不密实当喷混凝土背后回填不密实，混凝土与围岩之间有空隙时，由于空气与混凝土介电常数差别较大，电磁波在喷混凝土与空气之间将产生强反射信号。当空洞比较大时，围岩界面清晰可见，在地质雷达剖面图上主要表现为在喷混凝土层以下出现多次反射波，同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位，且其能量明显增强。通过对本次隧道喷混凝土检测的地质雷达剖面图分析知，喷混凝土背后不存在明显的空洞及不密实。4结论1、利用地质雷达对隧道初期支护喷混凝土厚度的检测是能够实现的，而且检测速度快、效率高，适合于现场的大面积快速检测。2、利用地质雷达技术检测缺陷时，根据喷混凝土厚度选用合适的频率天线，除可以检测喷混凝土的厚度之外，还能探测到喷混凝土内的格栅支撑等，同时对喷混凝土背后存在的空洞、不密实等缺陷也能作出判别。3、要得出准确、可靠的检测数据，除波速标定外，将雷达剖面图与隧道实际里程之间的这位也是同样重要的，这样才能得出准确位置的可靠数据。参考文献：1 郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用.铁道工程学报.2002年6月第2期(74)2 魏超.肖国强.王法刚. 地质雷达在混凝土质量检测中的应用研究.工程地球物理学报.第1卷第5期2004年10月3 钟世航.提高探地雷达检测隧道衬砌效果的几点措施.勘察科学技术.2004年第6期4 周黎明.王法刚.地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量.岩土工程界.第6卷第3期5 李大心.探地雷达方法与应用.地质出版社.1994