地質雷達在隧道施工質量無損檢測中的運用

張建華

0 引言

高速公路建設對國民經濟發展具有強力的推動作用,高速公路的建設由于選線等原因,不可避免采取隧道工程,而隧道工程屬于隱蔽性工程。在隧道施工中,難免會有利欲熏心的不法施工人員對隧道支護參數進行不合理降低,如擴大工字鋼間距,使用石棉瓦及隨意墊設石塊,二襯厚度達不到規范要求等。隧道施工勢必需要有一種不破壞結構的檢測措施把上述不利情況排除在隧道運營之前[1]。

1 工程概況

千秋關隧道位于寧國市仙霞鎮云梯鄉以南,皖浙兩省交界的千秋關處,為分離式單拱隧道。隧址區屬斷褶侵蝕剝蝕中低山區,海拔252.0 m～430.0 m,相對高差178 m,山脊走向南北,隧道軸線與山脊走向近直交,軸線通過最高海拔430.0 m,隧址區地形坡度較陡,安徽段隧道出口地形坡角 19°～38°,隧址區植被發育,雨水易滲入殘坡積土層中,地下水按賦存形式可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水[2]。

可見隧道支護結構施工質量若得不到很好的控制,容易使支護結構受力不合理而發生開裂,以及最后一道防水措施失去作用。

2 地質雷達技術

2.1 地質雷達系統簡介

地質雷達系統組成如圖1所示,地質雷達組成和工作原理及其探測方法如下:

1)控制單元:控制單元是整個雷達系統的管理器,計算機(32位處理器)對如何測量給出詳細的指令。系統由控制單元控制著發射機和接收機,同時跟蹤當前的位置和時間。

2)發射機:發射機根據控制單元的指令,產生相應頻率的電信號并由發射天線將一定頻率的電信號轉換為電磁波信號向地下發射,其中電磁信號主要能量集中于被研究的介質方向傳播。

3)接收機:接收機把接收天線接收到的電磁波信號轉換成電信號并以數字信息方式進行存貯。

4)電源、通訊電纜、觸發盒、測量輪等輔助元件。

2.2 地質雷達測試原理

地質雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。發射天線將高頻(106Hz～109Hz或更高)的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下,被地下介質(或埋藏物)反射,然后由接收天線接收。

根據電磁波理論,當雷達脈沖在地下傳播過程中,遇到不同電性介質交界面時,由于上下介質的電磁性質不同而產生反射和折射。由公式雷達根據測得的雷達波走時,自動求出反射物的深度和范圍[3]。

2.3 資料處理方法

使用相應雷達資料處理軟件REFLECW進行資料處理。對數據文件進行預處理、增益調整、濾波等方法的處理,最終得到各測線的成果圖,以此對隧道內部混凝土質量進行分析評價工作。

3 工程實例分析

3.1 測線布置

千秋關隧道初襯的混凝土厚度、背后缺陷、鋼支撐間距及二次襯砌厚度檢測,在該隧道部位的左墻腰、左拱腳、拱頂、右拱腳、右墻腰共布置五條縱向的雷達測線。對每條測線,按3 m間距取點(相當于直接鑿開這些點),進行質量合格與否的評價,且保證每條測線的評價點不少于20點。

3.2 資料處理與解釋

圖2為整個數據處理及資料解釋流程圖。原始數據(時間剖面)經過數字處理后可以得到時—深剖面圖,對時—深剖面圖加以分析即可獲得襯砌厚度及澆筑情況等。

地質雷達數據處理的目標是壓制隨機的和規則的干擾,以最大可能的分辨率在圖像剖面上顯示反射波,提取反射波的各種有用參數,以幫助解釋檢測成果[4]。

地質雷達資料反映的是地下介質的電性分布,將其轉化為地質體分布,必須把地質、施工、地質雷達等方面的資料有機結合起來,以此獲得檢測對象的整體圖像。

襯砌界線判釋的依據:混凝土襯砌、噴射混凝土與圍巖(或其間空區中的空氣)有明顯的介電常數差,因此,在時深剖面圖上,襯砌底面和巖石之間有明顯的界線。噴射混凝土與模筑混凝土襯砌介電常數有差別,但不是很大,若它們之間接觸很好或粘結,則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。

3.3 初期混凝土檢測分析

經過雷達資料處理軟件REFLEC對初期支護采集的數據進行分析,得到如圖3所示的波形。

經分析得到千秋關隧道K92+910～K92+950拱頂位置初期支護噴射混凝土厚度、工字鋼數量以及初期支護背后空洞情況。圖中長曲線為圍巖與噴射混凝土分界面,橢圓位置表示存在空洞情況,小豎直線為工字鋼位置。由分析得到后的波形圖可以看出,經過地質雷達對隧道初期支護進行檢測,可以清楚分辨出初期支護的工字鋼數量、初期支護噴射混凝土厚度以及空洞存在位置。

3.4 二次襯砌檢測分析

經過雷達資料處理軟件REFLEC對二次襯砌采集的數據進行分析,得到如圖4所示的波形。

根據JTG F80/1-2004公路工程質量檢驗評定標準[5]二襯厚度質量合格的標準:所有測點的厚度值均不少于設計厚度值的規定。本次對千秋關隧道二襯混凝土厚度里程段(K92+835～K92+950)拱頂位置進行檢測,部分里程段中有較少離散的點的二襯實測厚度未能達到設計厚度。

4 結語

結合安徽寧國市仙霞鎮云梯鄉千秋關隧道,采用地質雷達對隧道初期支護以及二次襯砌進行無損檢測。文中介紹了地質雷達的工作原理,且結合采集數據以及分析結果可以清晰確定初期支護工字鋼數量間距、初期支護噴射混凝土厚度、初期支護噴射混凝土后空洞情況以及二次襯砌厚度。

[1] 彭建勛,張 昊,梅保賢.地質雷達在高速公路隧道質量檢測中的應用[J].山西建筑,2009,35(5):315-317.

[2] 李二兵,譚躍虎,段建立.地質雷達在隧道工程檢測中的應用[J].地下空間與工程學報,2006,2(2):267-370.

[3] 李 華,夏才初.隧道二襯質量檢測中的地質雷達探測參數優化[J].西部探礦工程,2006,1(119):169-172.

[4] 李 偉.地質雷達在隧道工程無損檢測中的應用[J].山西建筑,2007,33(19):332-334.

[5] JTG F80/1-2004,公路工程質量檢驗評定標準[S].