地質(zhì)雷達(dá)使用講義.doc

摘要: 針對鐵路隧道施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題,利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行隧道工程質(zhì)量檢測。針對鐵路隧道,給出地質(zhì)雷達(dá)在無損檢測應(yīng)用中的工作方法,包括測線布置、采集參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場檢測和后期資料處理解釋。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理分析,可以精確探測襯砌厚度,確定鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數(shù)量,查明襯砌背后特別是拱頂存在的空洞和回填不密實(shí)區(qū)域。使用地質(zhì)雷達(dá)對隧道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,實(shí)踐證明技術(shù)方法是切實(shí)可行的前言地質(zhì)雷達(dá)法以其無損性、高效率、高分辨率等優(yōu)點(diǎn),正逐漸成為地下隱蔽工程調(diào)查的一種有力工具,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察、建筑結(jié)構(gòu)調(diào)查、無損檢測、水文地質(zhì)調(diào)查、生態(tài)環(huán)境等眾多領(lǐng)域。隨著交通事業(yè)的發(fā)展,隧道的大量建設(shè),隧道病害也屢見不鮮。應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道襯砌,在鐵路、公路部門中已經(jīng)普遍展開。應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌檢測已有很多研究。檢測內(nèi)容主要包括:隧道襯砌的厚度、隧道襯砌背后回填物的密實(shí)狀態(tài)、隧道襯砌背后與圍巖的脫空區(qū)域、圍巖的狀態(tài)及其地下水向隧道侵入的通路等方面。由于高頻電磁波在介質(zhì)中的高衰減性,使得該方法的應(yīng)用受到一定的限制。地質(zhì)雷達(dá)的檢測效果不僅與地質(zhì)雷達(dá)本身的技術(shù),還與較多影響因素相關(guān),因而使得實(shí)際工程中很多檢測效果并沒有達(dá)到預(yù)期的目的。因此,有必要分析影響應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測效果的主要因素,解決地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的有關(guān)技術(shù)問題,以便進(jìn)一步提高檢測水平。1地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道襯砌目的隧道襯砌的質(zhì)量檢測主要包括:隧道襯砌厚度，隧道襯砌背后未回填的空區(qū)，復(fù)合式襯砌中兩層襯砌間較大的空段，施工時(shí)坍方位置及坍方的處理情況，襯砌混凝土回填密實(shí)度。有時(shí)還可檢測圍巖中地下水向隧道侵入的位置。近幾年來采用探地雷達(dá)來做主要檢測手段的越來越多。這是由于與其它方法相比，作為沿測線作掃描檢測的探地雷達(dá)工作效率較高。用探地雷達(dá)在全隧道噴錨初期支護(hù)完成后作一次全面檢測也是必要的，也應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步推廣使用以提高噴射混凝土質(zhì)量。襯砌混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測，目前常采用回彈儀法、超聲+回彈法、瑞利面波波速法等。2隧道襯砌質(zhì)量的檢測原理與探空或通訊雷達(dá)技術(shù)相類似，探地雷達(dá)也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，只是它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實(shí)現(xiàn).探測的，故亦稱之為地質(zhì)雷達(dá)。探地雷達(dá)是通過天線將脈沖雷達(dá)波發(fā)射入被測物體，由接收天線接收不同物理性質(zhì)物體的界面反射的雷達(dá)波，據(jù)此進(jìn)行探查。實(shí)測時(shí)將探地雷達(dá)的發(fā)射和接收天線密貼于襯砌表面，雷達(dá)波通過天線進(jìn)入混凝土襯砌中，遇到鋼筋、鋼質(zhì)拱架、材質(zhì)有差別的混凝土、混凝土中間的不連續(xù)面、混凝土與空氣分界面、混凝土與巖石分界面、巖石中的裂面等產(chǎn)生反射，接收天線接收到反射波，測出反射波的入射、反射雙向走時(shí)，就可計(jì)算出反射波走過的路程長度，從而求出天線距反射面的距離D（圖1）。圖1 雷達(dá)探測原理示意圖D=Vt/2式中： D 為天線到反射面的距離；t 為雷達(dá)波從發(fā)射至接收到反射波的走時(shí)，用ns (納秒計(jì))，1 ns=10-9秒；V 為雷達(dá)波的行走速度，可以用幾何光學(xué)的概念來看待直線傳播的雷達(dá)波的透射和反射。V=C0/1/2其中，C0 為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度30cm/ns；為介電常數(shù)，由波所通過的物質(zhì)決定。即物體中的雷達(dá)波速由其介電常數(shù)決定。 如空氣的=1，水的=80，混凝土的在614之間。實(shí)際上，雷達(dá)波之所以會(huì)在物體界面產(chǎn)生反射，是因?yàn)榻缑鎯蓚?cè)物質(zhì)介電常數(shù)不同。雷達(dá)天線可沿所測測線連續(xù)滑動(dòng)，所測的每個(gè)測點(diǎn)的時(shí)間曲線可以匯成時(shí)間剖面圖像。從一個(gè)測點(diǎn)的反射波時(shí)間曲線上去判別哪一個(gè)波反映什么是困難的，但多個(gè)測點(diǎn)資料匯成的時(shí)間剖面，各測點(diǎn)接收到的同一反射面的反射波匯成一定圖像，就能直觀地反映出各種不同的反射面。例如，一個(gè)與測量平面近于平行的反射面，如襯砌的外緣面，在時(shí)間剖面上就是與時(shí)間0基線近于平行的線；襯砌與巖體交界面的起伏（反映了襯砌厚薄變化）表現(xiàn)為有起伏的圖像；鋼質(zhì)拱架的反射圖像可能是一雙曲線，在彩色或黑白灰度的圖上也可能呈現(xiàn)一個(gè)個(gè)圓點(diǎn)；突入襯砌中的小塊巖石、襯砌背后的空洞、兩層襯砌間的空隙則多呈雙曲線圖像。根據(jù)這些圖像即可辯別不同的物體。時(shí)間剖面圖像是探地雷達(dá)成果的基本圖件，其橫座標(biāo)為測點(diǎn)位置，縱座標(biāo)為雷達(dá)波反射時(shí)?？梢杂煤诎撞ㄐ蛨D像（波形圖變面積黑白顯示）、黑白灰度顯示、彩色色塊顯示等形式制圖。3檢測工作方法技術(shù)每座隧道沿隧道拱部軸向檢測5條測線：拱頂、左拱腰和右拱腰、以及左邊墻和右邊墻。可選用的雷達(dá)有多種，根據(jù)需要探測的深度來選定天線的頻率。頻率高的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻高、分辨率高，但探測深度淺；頻率低的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻低、分辨率低，但是探測深度大。若選用450500MHz的工作天線，它的波長約為2030cm，檢測厚于2030cm的襯砌厚度有足夠的分辨率，并可達(dá)到2cm左右的探測精度，可探測約2.5m深，適合檢測復(fù)合襯砌和隧道仰拱；為探測深于35m的坍方情況，則需改用100200MHz天線；對于采用地質(zhì)雷達(dá)發(fā)做隧道超前預(yù)報(bào)則適宜使用更低頻率的天線。雷達(dá)檢測時(shí)，需將發(fā)射和接收天線與隧道襯砌表面密貼，沿測線滑動(dòng)，由雷達(dá)儀主機(jī)高速發(fā)射雷達(dá)脈沖，進(jìn)行快速連續(xù)采集。為此，需使用工作臺(tái)架，便于將天線舉起密貼襯砌。為保持工效，天線沿測線以5km/h 左右的速度滑動(dòng)。為此，在卡車車廂上或鐵路平板車上用鋼管搭架并鋪木板制成工作平臺(tái)。雷達(dá)每秒發(fā)射2030個(gè)脈沖，若檢測時(shí)天線的行走速度為1m/s（3.6km/h），則每米有測點(diǎn)2030個(gè)；若天線的行走速度為1.5m/s(5.4km/h)，則每米測線有測點(diǎn)1522個(gè)。雷達(dá)時(shí)間剖面上各測點(diǎn)的位置要和隧道里程相聯(lián)系。為保證點(diǎn)位的準(zhǔn)確，在隧道壁上每5m或10m作一標(biāo)志，標(biāo)上里程。當(dāng)天線對齊某一標(biāo)記時(shí)，由儀器操作員向儀器輸入信號，在雷達(dá)記錄中每5m或10m作一里程標(biāo)記。內(nèi)業(yè)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。圖4 在在建隧道中用鋪設(shè)防水板的全斷面工作臺(tái)架作檢測（用裝載機(jī)牽引）4探地雷達(dá)的資料處理與解釋4.1 資料處理和編錄整理以及設(shè)計(jì)資料的匯集現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)要經(jīng)過濾波、去噪、均衡等處理，打印成時(shí)間剖面圖。時(shí)間剖面圖是用來作判釋和計(jì)算的基本圖件，需要精心制作。1km的測線，圖紙連接起來約有1520m長，打印這些圖紙的時(shí)間往往要長于現(xiàn)場采集的時(shí)間。為了使圖紙的計(jì)算與實(shí)際里程相符，必須在圖紙上標(biāo)注里程及5或10m的間隔標(biāo)記，并要將一些特殊情況，如電氣化線路隧道中的錨節(jié)點(diǎn)位置、隧道中的變截面位置、燈或通風(fēng)機(jī)位置等標(biāo)于圖上。對隧道襯砌質(zhì)量作檢測和評價(jià)，還必須掌握該隧道的設(shè)計(jì)情況，如圍巖分類、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法和步驟等，特別是長隧道，地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)變化多，有時(shí)還由不同單位分段施工，掌握這些資料，對探查資料判釋和隧道質(zhì)量評價(jià)很有必要。而熟悉和掌握這些資料和情況又需要檢測人員下工夫去研究。4.2 資料處理及判釋：4.2.1處理步驟：原始雷達(dá)波形記錄圖5 數(shù)據(jù)處理與解釋流程圖4.2.2 檢測若采用波形黑白灰度顯示形式打印雷達(dá)時(shí)間剖面圖，資料判釋時(shí)應(yīng)在計(jì)算機(jī)屏幕上調(diào)出彩色時(shí)間剖面圖作對比。從圖件標(biāo)記起每一步驟均需200%復(fù)核、檢查，實(shí)際上從制成時(shí)間剖面圖起需經(jīng)歷約10道工序，每道工序均需仔細(xì)地研究時(shí)間剖面圖，打印時(shí)間剖面圖受打印機(jī)打印速度限制，資料處理及判釋與現(xiàn)場準(zhǔn)備及采集時(shí)間比約為4：1到5：1。4.2.3 介電常數(shù)（）的確定我檢測中心檢測介電常數(shù)的確定常采用反演法，即由公式計(jì)算。其中C為光速（C0.3m/ns），t雙程旅時(shí)（ns），D是已知厚度值（m）。通過對已知厚度的部位（隧洞口）標(biāo)定，確定適合隧道二襯混凝土的相對介電常數(shù)值。4.3 資料的解釋原則 二襯砌界面的判識(shí)在探地雷達(dá)圖像的上部，一般振幅較強(qiáng)，同軸同相比較連續(xù)的第一組波形為襯砌界面反射信號。界面判識(shí)后輸入正常的介電常數(shù)值，即可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出襯砌厚度值，厚度的計(jì)算公式為。 鋼拱架位置及判識(shí)在地質(zhì)雷達(dá)圖像中，電磁波遇到鋼筋時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的反射，反射波的位置為鋼筋距測試面的距離（背水面保護(hù)層厚度）；通過濾波處理，確定各里程段鋼筋拱架分布情況及背水面保護(hù)層厚度。 襯砌混凝土缺陷及位置判識(shí)由于襯砌混凝土與空氣的相對介電常數(shù)的差異較大，所以探地雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為振幅較強(qiáng)的界面反射信號（多次波），所以空洞的明顯特征就是有強(qiáng)烈的多次反射，波從相對介電常數(shù)大的物質(zhì)（C20混凝土為8左右）進(jìn)入相對介電常數(shù)小的物質(zhì)（空氣為1）中時(shí)，根據(jù)波動(dòng)原理，在上界面處會(huì)先疊加為負(fù)波， 可在雷達(dá)圖像中準(zhǔn)確拾取界面反射的雙程旅時(shí)，根據(jù)公式求得缺陷的位置；襯砌不密實(shí)可能是由于混凝土離析振搗造成的，從波形特征與空洞的反射相似，但反射很弱；混凝土中有鋼筋時(shí)也會(huì)產(chǎn)生反射，波從相對介電常數(shù)小的物質(zhì)（C20混凝土為8左右）進(jìn)入相對介電常數(shù)大的物質(zhì)（鋼筋為）中時(shí)，根據(jù)波動(dòng)原理，在上界面處會(huì)先疊加為正波。對于復(fù)合襯砌隧道,當(dāng)?shù)谝淮我r砌與第二次襯砌之間存在空隙時(shí),界面上讀取的厚度值為隧道的二次襯砌厚度，若二者密貼良好，則為一、二次襯砌合值；對于非復(fù)合襯砌隧道,該界面上讀取的厚度值即為隧道的襯砌厚度值。5. 雷達(dá)探查的典型圖象1.襯砌界線混凝土襯砌、噴射混凝土與圍巖（或其間空區(qū)中的空氣）有明顯的介電常數(shù)差，因此在時(shí)間剖面圖上，襯砌底面和巖石之間有明顯的界線。雷達(dá)發(fā)射的直達(dá)波延續(xù)4個(gè)周期以上，012ns左右的目標(biāo)物的反射波均與它相疊。雷達(dá)的直達(dá)波呈現(xiàn)幾條平直的水平同相軸的圖像，而圍巖開挖總有或大或小的不平，故襯砌底界，即它與圍巖的分界面的反射波同相軸一般為有起伏的非直線圖像，這是很易辨認(rèn)的。噴射混凝土與模筑襯砌介電常數(shù)有差別，但不是很大，它們之間若接觸很好或粘結(jié)，則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。如果噴射混凝土中有鋼質(zhì)拱架和鋼筋網(wǎng)，則由于它們可強(qiáng)烈地反射雷達(dá)波，故可看到連續(xù)的綿延的反射圖像。圖6 某隧道雷達(dá)剖面圖圖6中由于混凝土與圍巖的介電常數(shù)差異明顯我們能很好的分辨不同介質(zhì)的分界面。2.拱架與鋼筋網(wǎng)在地質(zhì)雷達(dá)圖像中，電磁波遇到鋼筋時(shí)產(chǎn)生極強(qiáng)的反射，反射波的位置為鋼筋距測試面的距離（背水面保護(hù)層厚度）；通過濾波處理，確定各里程段鋼筋拱架分布情況及背水面保護(hù)層厚度。圖7 混凝土中布置的鋼筋網(wǎng)圖7中由于鋼筋的界電常數(shù)為，圖中可見連續(xù)的小雙曲線反射，這是鋼筋網(wǎng)的代表性反射圖。圖8 典型的格柵鋼架反射圖8中兩標(biāo)距之間為10米，每10米的鋼架為9榀達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3. 襯砌混凝土缺陷混凝土內(nèi)部缺陷包括欠密實(shí)、脫空等現(xiàn)象，欠密實(shí)其表現(xiàn)為波形雜亂且不連續(xù)的反射波形。圖9 復(fù)合襯砌與圍巖間的不密實(shí)帶圖10某隧道仰拱部位混凝土中出現(xiàn)的不密實(shí)區(qū)圖10 脫空圖11 鋼拱架后出現(xiàn)的空洞異常6.提高檢測精度的措施 詳細(xì)了解檢測區(qū)間物理狀態(tài)襯砌層物理狀態(tài)的變化直接影響到雷達(dá)波的變化，影響因素主要是含水量的變化、檢測面平整度、襯砌層砼材料配比變化、襯砌層結(jié)構(gòu)變化。隧道檢測有許多條測線，分若干次檢測，每條檢測的襯砌層物理狀態(tài)變化情況并不完全一致，這就需要較為詳細(xì)地了解設(shè)計(jì)資料、隧道的施工記錄，同時(shí)在檢測過程中還要做好外業(yè)記錄(如滲水、平整度等)。只有這樣才能根據(jù)客觀情況，有針對性地對地質(zhì)雷達(dá)資料進(jìn)行合理的分析。合理布置取芯點(diǎn)位影響檢測精度的主要問題是標(biāo)定的地質(zhì)雷達(dá)的電磁波速度，根本問題是不同區(qū)間介質(zhì)物理狀態(tài)的變化，實(shí)質(zhì)問題是介電常數(shù)的變化。當(dāng)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道檢測時(shí)，合理布置用于標(biāo)定雷達(dá)波速的取芯點(diǎn)位，對襯砌層在不同物理狀態(tài)下的雷達(dá)波速進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，并分析雷達(dá)波速的變化規(guī)律，有效控制因雷達(dá)波速的誤差帶來的探測偏差或較大誤差。注意區(qū)分多次反射信號襯砌層厚度相對較薄，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，襯砌層的面層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)層會(huì)形成多次反射信號，多次反射信號可能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)界面形成的反射信號重疊或偏離，當(dāng)多次反射信號與雷達(dá)波同相軸存在連續(xù)性偏離的情況下，容易對結(jié)構(gòu)界面的厚度誤判。不平整的表面由于與天線不能緊密結(jié)合時(shí)，也會(huì)形成反射界面，同時(shí)會(huì)有若干個(gè)多次反射信號。注意區(qū)分多次反射信號，是避免地質(zhì)雷達(dá)資料判讀偏差的重要環(huán)節(jié)。7.結(jié)語地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道襯砌層是一種先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，與傳統(tǒng)的人工取芯相比，地質(zhì)雷達(dá)檢測采集的數(shù)據(jù)量大，更加客觀且經(jīng)濟(jì)、快捷，采用將地質(zhì)雷達(dá)無損檢測,可以將施工中存在的各種