地質(zhì)雷達(dá)在廣西鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

李青燕，曾召田，張錦錦

(1.湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，長沙 410002;2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004)

鐵路隧道的施工質(zhì)量涉及到鐵路的安全運(yùn)營。因此，準(zhǔn)確地檢測(cè)出隧道施工質(zhì)量隱患是一項(xiàng)十分重要的工作。

過去隧道襯砌的工程質(zhì)量檢測(cè)主要依靠打鉆取芯進(jìn)行抽樣檢查，這種方法的缺點(diǎn):一是隨機(jī)抽樣，隨意性大;二是成本高、工期長;三是容易對(duì)被檢物造成損壞。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)開始運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)工程結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)。通過二十幾年的發(fā)展，這種技術(shù)在鐵路工程檢測(cè)中已日臻完善。采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道的襯砌厚度、密實(shí)情況，取得了良好的檢測(cè)效果，為工程質(zhì)量的評(píng)價(jià)和處理提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

本文結(jié)合近幾年廣西鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的工程實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)注意事項(xiàng)和數(shù)據(jù)處理方法;分析隧道檢測(cè)中典型的雷達(dá)波形圖像，以探求采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的效果。

1 檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用脈沖電磁波探測(cè)隱蔽介質(zhì)的分布:向被測(cè)物發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波時(shí)，電磁波遇到不同介電特性的介質(zhì)就會(huì)有部分返回，接收反射波并記錄反射的時(shí)間;根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間(雙程走時(shí))、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)(圖1(a))。脈沖波走時(shí)t(ns)為

式中 x—— 發(fā)射天線與接收天線間的距離，一般是固定值(m);

v—— 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，可以利用已有數(shù)據(jù)或測(cè)定獲得(m/ns)。

z—— 目標(biāo)體的深度值(m)。

當(dāng)發(fā)射和接收天線沿物體表面逐點(diǎn)同步移動(dòng)時(shí)，就能得到其內(nèi)部介質(zhì)剖面圖像，見圖1(b)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)內(nèi)容主要為隧道襯砌混凝土密實(shí)性、脫空及厚度等。相關(guān)介質(zhì)的物理參數(shù)見表1。從表1中可知:襯砌混凝土與圍巖(花崗巖、砂巖、黃土等)之間存在著物性差異;缺陷部位襯砌混凝土被水或空氣充填，與密實(shí)的混凝土的物性有明顯差異。因此，采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道襯砌混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)注意事項(xiàng)

2.1 天線的選擇

一般來說，隧道檢測(cè)天線的頻率為400～1 000 MHz。頻率高的天線，精度較高，能量衰減較快，

表1 與隧道襯砌相關(guān)的介質(zhì)的物理參數(shù)

探測(cè)深度較淺;頻率低的天線，精度相對(duì)較低，能量衰減較慢，探測(cè)的深度較深。因此，選用天線時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道襯砌設(shè)計(jì)的厚度及檢測(cè)要求而定。如果建設(shè)方對(duì)厚度檢測(cè)的精度要求較高，宜采用頻率為900 MHz或1 000 MHz的天線，如果建設(shè)方不作具體要求，一般采用400 MHz或500 MHz的天線。

2.2 測(cè)線布置

隧道檢測(cè)一般對(duì)拱頂、拱腰、邊墻及隧底4大部位進(jìn)行檢測(cè)(見圖2)。準(zhǔn)確地說，拱腰測(cè)線應(yīng)布置在起拱線1 m范圍內(nèi)，邊墻測(cè)線有兩種情況:①對(duì)直墻斷面，應(yīng)在邊墻的中部和墻腳1 m范圍內(nèi)各布置1條測(cè)線;②對(duì)曲墻斷面，應(yīng)布置在邊墻腳1 m范圍內(nèi)。

目前由于受經(jīng)費(fèi)限制，無論是直墻斷面，還是曲墻斷面，一般只進(jìn)行3條或5條線的檢測(cè)。因此，在檢測(cè)前做好計(jì)劃，對(duì)每個(gè)檢測(cè)部位都應(yīng)做到均衡布置測(cè)線，使檢測(cè)結(jié)果能夠較全面地反應(yīng)工程整體質(zhì)量分布情況。

圖2 雷達(dá)測(cè)線布置示意

2.3 里程標(biāo)記

為了保證時(shí)間剖面上各測(cè)點(diǎn)的位置與實(shí)際檢測(cè)里程的位置相對(duì)應(yīng)，在隧道邊墻上，每5 m或10 m作一個(gè)標(biāo)記，標(biāo)注里程以供核對(duì)。同時(shí)，應(yīng)盡量使天線勻速移動(dòng)，即使是采用里程輪，也應(yīng)對(duì)記錄的里程與實(shí)際里程進(jìn)行核對(duì)。特別是曲線隧道，邊墻里程與線路不一致時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)修正，或給出邊墻里程與線路里程對(duì)照表。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)特別注意核定采樣窗口長度和增益點(diǎn)設(shè)置、選擇顯示效果，同時(shí)應(yīng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)記錄，它是資料解釋的基礎(chǔ)。因檢測(cè)中有些環(huán)境干擾信號(hào)被同時(shí)記錄下來，如電線桿反射、側(cè)面墻反射、金屬物品反射等，如不參考現(xiàn)場(chǎng)記錄很容易將其錯(cuò)判為地下異常體。現(xiàn)場(chǎng)記錄的要點(diǎn)是把那些可能產(chǎn)生反射干擾的事物都記錄下來，注明其性質(zhì)、與測(cè)線的距離、位置關(guān)系等。

檢測(cè)時(shí)，需將發(fā)射和接收天線與隧道襯砌表面密貼，沿測(cè)線滑動(dòng)。

3 數(shù)據(jù)分析處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集是分析解釋的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理則是提高信噪比，將異常突出化的過程。首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即定標(biāo)點(diǎn)的編輯、文件頭參數(shù)設(shè)定及距離均一化。經(jīng)過預(yù)處理后，還要進(jìn)行一系列的數(shù)字化信號(hào)處理。

初始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后，可以有效地壓制干擾信號(hào)的能量，提高雷達(dá)信號(hào)的信噪比，使雷達(dá)圖象更易于識(shí)別地質(zhì)信息，清晰地反映地質(zhì)現(xiàn)象，從而提供更準(zhǔn)確的解釋結(jié)果。

3.2 資料解釋

地質(zhì)雷達(dá)圖像的解釋有定量和定性兩種。定量解釋主要是對(duì)襯砌層厚度進(jìn)行判定，定性解釋主要是對(duì)混凝土內(nèi)部空洞、裂縫、膠結(jié)質(zhì)量等襯砌質(zhì)量及其形態(tài)規(guī)模進(jìn)行判斷。

襯砌層厚度的判定主要是界面的追蹤及電磁波速度的確定。電磁波波速與混凝土的潮濕程度及凝期等因素有關(guān)。在隧道檢測(cè)中，計(jì)算各襯砌層的厚度時(shí)一般取介電常數(shù)εr=6.4。

對(duì)混凝土內(nèi)部的襯砌質(zhì)量情況，主要根據(jù)電磁波波形、振幅大小及電磁波同相軸連續(xù)性的好壞來進(jìn)行判斷。當(dāng)襯砌層內(nèi)膠結(jié)良好，或襯砌層與圍巖之間接觸良好，無脫空時(shí)，雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雷達(dá)波同相軸連續(xù)性較好。反之，在雷達(dá)圖像上會(huì)表現(xiàn)為反射能量強(qiáng)、同相軸連續(xù)性較差，甚至產(chǎn)生雙曲線形態(tài)等異常現(xiàn)象。

4 典型雷達(dá)圖像分析

不同的隧道，由于其施工參數(shù)不同，混凝土內(nèi)部的襯砌質(zhì)量不同，其雷達(dá)檢測(cè)的時(shí)間剖面差別很大。但各種雷達(dá)圖像的特征也有其規(guī)律可循，只要掌握了各種異常形態(tài)的特征，就能對(duì)各種隧道檢測(cè)異常進(jìn)行準(zhǔn)確地判斷。本文根據(jù)近幾年在廣西洛湛線、湘桂線、南廣線、貴廣線等幾條鐵路隧道的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)各種典型的雷達(dá)波形特征進(jìn)行分析。

4.1 正常圖像

當(dāng)二次襯砌與初次支護(hù)混凝土膠結(jié)良好，初次支護(hù)與圍巖之間緊密接觸，無脫空等異常現(xiàn)象時(shí)，雷達(dá)信號(hào)反映為同相軸連續(xù)性較好，二襯、初支、圍巖三者之間的反射界面連續(xù)清晰，振幅相對(duì)穩(wěn)定。在完整圍巖內(nèi)部，反射振幅明顯減弱，頻率明顯降低。雷達(dá)圖像平直部分，表示襯砌接觸界面平整。雷達(dá)圖像起伏狀況，直觀地反映了襯砌厚度的變化。根據(jù)這種時(shí)間的變化及混凝土的相對(duì)介電常數(shù)，即可計(jì)算出各段襯砌層的厚度，從而判定襯砌厚度是否符合設(shè)計(jì)要求(如圖3所示)。

圖3 邊墻襯砌正常反射

4.2 不密實(shí)體

不密實(shí)的襯砌混凝土體在地質(zhì)雷達(dá)剖面圖上波形雜亂，同相軸錯(cuò)斷，如圖4。

圖4 邊墻不密實(shí)

4.3 脫空區(qū)

由于空氣和襯砌、圍巖之間的介電常數(shù)差異更為明顯。當(dāng)隧道襯砌和圍巖之間存在脫空區(qū)時(shí)，由于不同介質(zhì)的電磁差異而產(chǎn)生的地質(zhì)雷達(dá)反射波波形畸變更加明顯，如圖5。

4.4 鋼筋分布

這種形態(tài)一般在洞口附近較為常見，主要發(fā)生在采用鋼筋混凝土進(jìn)行襯砌支護(hù)的明洞段或圍巖類別較低段。襯砌中鋼筋對(duì)雷達(dá)信號(hào)的反射主要表現(xiàn)為由多個(gè)強(qiáng)信號(hào)亮點(diǎn)組成的較規(guī)則的梳狀。圖6為隧道進(jìn)口段檢測(cè)到的鋼筋分布圖。

圖5 拱頂局部脫空

圖6 進(jìn)口段邊墻鋼筋反射

5 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)法具有無損、高效、直觀、精確等優(yōu)點(diǎn)，能真實(shí)地反映襯砌、圍巖及其之間的空洞和缺陷，快速準(zhǔn)確地找出隧道襯砌的質(zhì)量隱患，可作為控制和評(píng)價(jià)工程質(zhì)量的檢測(cè)手段。

近幾年，地質(zhì)雷達(dá)已廣泛地運(yùn)用于對(duì)廣西隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。但是，由于目前仍沒有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)程，各檢測(cè)單位均根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理分析。如果處理不當(dāng)，易使建設(shè)方對(duì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤解，限制了雷達(dá)檢測(cè)在隧道工程中的應(yīng)用。因此，應(yīng)盡快制定相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮雷達(dá)檢測(cè)應(yīng)有的作用。

［1］李大心.地球物理方法綜合應(yīng)用與解釋［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

［2］李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［3］鐘世航.探地雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌中的幾個(gè)問題［J］.物探與化探，2002，26(5):403-406.

［4］薄會(huì)申.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2006.

［5］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB10417—2003 鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.