雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用效果

1、透地雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)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(qiáng) 梁培新 葛如冰前言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)工程建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)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(duì)于隧道襯砌的厚度、完整性等的質(zhì)量檢測(cè)基本上還是應(yīng)用傳統(tǒng)的鉆芯法。這些方法對(duì)隧道襯砌有所破壞，且檢查的頻度低，速度慢，評(píng)價(jià)的代表性也比較差，很難比較全面地發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量隱患，且對(duì)于有些部位如拱頂部位由于難以進(jìn)行施工而無法進(jìn)行檢測(cè)。因此尋求一種無損、高效且高精度的檢測(cè)方法是現(xiàn)在的高技術(shù)時(shí)代對(duì)我們提出的一個(gè)新課題。鑒于隧道的襯砌工程與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(dá)在公路工程質(zhì)量

2、檢測(cè)中的一些成果、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，將透地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在廣東某供水工程的隧道襯砌的質(zhì)量檢測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用，在對(duì)隧道的襯砌混凝土厚度、襯砌混凝土的膠結(jié)密實(shí)情況（是否存在明顯蜂窩空洞等）以及襯砌混凝土與圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的檢測(cè)方面取得了良好的效果。本文即對(duì)上述應(yīng)用成果進(jìn)行詳細(xì)的介紹。一、方法原理：透地雷達(dá)技術(shù)屬于地球物理探測(cè)技術(shù)中的范疇。地球物理探測(cè)技術(shù)是依據(jù)被探測(cè)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(jìn)行探測(cè)的。具體到透地雷達(dá)，它是以被探測(cè)體內(nèi)的不同介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)差異進(jìn)行探測(cè)的。在進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，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

3、兆赫）以寬頻帶短脈沖形式送入被探測(cè)體內(nèi)部，該電磁波在被探測(cè)的介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)，會(huì)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(shí)，就會(huì)發(fā)生反射，反射波返回被探測(cè)物體的表面，為接收天線R所接收（圖1）后被采集進(jìn)入儀器進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。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)。與本工程隧道透地雷達(dá)檢測(cè)有關(guān)的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)見表1。圖2a是透地雷達(dá)在隧道檢測(cè)中接收到的理想波形，計(jì)算襯砌層底面反射波與表面反射波之間的走時(shí)時(shí)差Dt(ns)，已知電磁波在襯砌混凝土中的傳播速度（可根據(jù)表1或由鉆孔標(biāo)定取得）v(m/ns)，即可求出

4、襯砌層的厚度h(m)=v·Dt/2。但實(shí)際得到的波形與此有較大的差異（圖2b），主要由以下原因引起：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、大粒石塊等異常體的干擾；三是襯砌砼層內(nèi)存在的空洞、膠結(jié)不密實(shí)及由于襯砌砼層與圍巖膠結(jié)不密實(shí)而存在的脫空等異常體的干擾，四是測(cè)量中隧道內(nèi)其他物體的一些干擾。仔細(xì)分析實(shí)際得到的波形，便可以從中得到襯砌混凝土的膠結(jié)密實(shí)情況（是否存在明顯蜂窩空洞等）以及襯砌混凝土與圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象等信息。 圖1 透地雷達(dá)檢測(cè)的原理 圖2 透地雷達(dá)檢測(cè)單道曲線表1 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和波速值介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)er電磁波速v(m

5、/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(cè)應(yīng)用實(shí)例1、襯砌混凝土的厚度檢測(cè) 圖3是透地雷達(dá)在廣東某供水工程某隧洞內(nèi)拱頂所做的一段厚度檢測(cè)的成果。在厚度的檢測(cè)方面，隧道襯砌與公路路面的透地雷達(dá)厚度檢測(cè)是類似的。圖的上部是實(shí)測(cè)雷達(dá)剖面，該隧洞設(shè)計(jì)為兩層襯砌砼，初襯設(shè)計(jì)為12cm厚的C20噴射砼,二襯設(shè)計(jì)為25cm的C20砼從實(shí)測(cè)剖面看，襯砌砼層（初襯加二襯）與其后面圍巖間的反射界面既清晰又連續(xù)，初襯與二襯之間也有較清晰連的反射界面，這反映了初襯與二襯之間的介質(zhì)差別較大。圖3的下部是經(jīng)過抽芯標(biāo)定速度后追蹤

6、所得的解釋厚度曲線。經(jīng)標(biāo)定后的襯砌砼層的電磁波傳播速度為0.122m/ns。圖3 廣東某供水工程某隧洞襯砌層厚度檢測(cè)結(jié)果2、襯砌混凝土的膠結(jié)密實(shí)情況檢測(cè)圖4是是透地雷達(dá)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(shí)情況檢測(cè)的成果。從實(shí)測(cè)剖面圖上可以看到，在檢測(cè)段的kx+217-kx+225處在比較連續(xù)一致的襯砌砼層內(nèi)部反射波中出現(xiàn)了強(qiáng)反射波組，反射波振幅明顯增強(qiáng)，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)了比較大的局部不均勻性變化，振幅的明顯增強(qiáng)表明了此處的混凝土膠結(jié)密實(shí)度較差。圖4 廣東某供水工程隧洞襯砌層混凝土密實(shí)性檢測(cè)結(jié)果3、襯砌混凝土與圍巖之間是否存在

7、脫空現(xiàn)象的檢測(cè)圖5是透地雷達(dá)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與圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的檢測(cè)成果，也即檢測(cè)襯砌層灌漿施工后的灌漿效果檢測(cè)。從透地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面上可以看到，在檢測(cè)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強(qiáng)，但襯砌層底的反射波同相軸依然連續(xù)清晰，形狀未發(fā)生變化。這些特征顯示了襯砌層底部與圍巖之間存在空隙。根據(jù)襯砌層底的反射波振幅的強(qiáng)度情況可以定性地判定脫空的相對(duì)嚴(yán)重程度。輔以一定數(shù)量的標(biāo)定資料便可以實(shí)現(xiàn)脫空的定量化。圖5 廣東某供水工程隧洞襯砌層與圍巖之間是否存在脫空檢測(cè)結(jié)果3、結(jié)論與建議通過透地雷達(dá)在廣東某供水工程

8、的隧道拱頂襯砌的質(zhì)量檢測(cè)中的工程實(shí)踐，可以得出如下結(jié)論。1、應(yīng)用透地雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌的混凝土厚度、襯砌混凝土的膠結(jié)密實(shí)情況（是否存在明顯蜂窩空洞等）以及襯砌混凝土與圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象的質(zhì)量檢測(cè)是可行的，是一種連續(xù)、高效、準(zhǔn)確的無損檢測(cè)方法，檢測(cè)可以20km時(shí)速，每米10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行。2、在實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，上述三個(gè)檢測(cè)目的可以通過一次數(shù)據(jù)采集過程來實(shí)現(xiàn)，僅需要在數(shù)據(jù)處理解釋時(shí)對(duì)一次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同目的的分析即可。3、由于隧道的襯砌層與公路的路面層是相似的，因此透地雷達(dá)在公路路面質(zhì)量檢測(cè)中的許多成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒到隧道襯砌層的質(zhì)量檢測(cè)中來，實(shí)際的應(yīng)用也證明了這一點(diǎn)。隧道襯砌工程也有著其不

9、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(dá)進(jìn)行厚度檢測(cè)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，因此其絕對(duì)誤差大于公路路面上的情況，但經(jīng)過多個(gè)孔的取芯驗(yàn)證對(duì)比，目前的相對(duì)誤差為5%。因此進(jìn)一步提高檢測(cè)精度是需要深入研究的問題。另外對(duì)于隧道襯砌的混凝土強(qiáng)度的無損檢測(cè)也是有待于進(jìn)行深入研究的課題。我們相信，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展，無損檢測(cè)技術(shù)將廣泛地應(yīng)用于隧道質(zhì)量檢測(cè)中，為社會(huì)做出更多貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn)1 李大新，探地雷達(dá)方法與應(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(jìn)展。北京：地質(zhì)出版