隧道二襯雷達檢測常見缺陷圖及形成原因

賀建輝 李又云 秦世偉

(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710061)

1 概述

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)作為一項先進的檢測技術(shù)，采用便攜微機控制，工作周期短，快速、高效，具有無損、連續(xù)、快速和分辨率高的特點，在公路、工程地質(zhì)、水文調(diào)查、考古、鐵路等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

在公路隧道建設(shè)中，由于一些施工單位管理不善，采用不科學(xué)的施工方法和施工工藝，導(dǎo)致二次襯砌背后出現(xiàn)空洞、脫空和不密實等問題，為隧道的運營帶來一定的安全隱患。使用地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌，因為檢測環(huán)境的復(fù)雜性，地質(zhì)雷達的圖像比較難于識別。相同的地質(zhì)雷達剖面圖像，由不同的人判讀，會有不同的結(jié)果。因此有必要總結(jié)實踐中的圖譜來指導(dǎo)技術(shù)人員判別二次襯砌的空洞、脫空和不密實，以促進這項檢測技術(shù)的向前發(fā)展。

2 圖譜解釋的依據(jù)

2.1 地質(zhì)雷達檢測原理[1]

地質(zhì)雷達與探空雷達相似，利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面，被另一天線接收。脈沖波旅行時間為T，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時，可根據(jù)測到的準(zhǔn)確T值計算反射體的深度。雷達系統(tǒng)的基本部分和雷達檢測原理示意圖如圖1，圖2所示。

2.2 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理流程

探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形或灰度顯示探測雷達剖面圖。地質(zhì)雷達探測資料的解釋包括兩部分內(nèi)容:1)數(shù)據(jù)處理;2)圖象解釋。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對波的不同程度吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾，也影響實測數(shù)據(jù)。因此，必須對接收信號實施適當(dāng)?shù)奶幚恚愿纳瀑Y料的信噪比，為進一步解釋提供清晰可變的圖像。對于異常的識別應(yīng)結(jié)合已知到未知，從而為識別現(xiàn)場探測中遇到的有限目的體引起的異常，以及對各類圖像進行解釋提供了依據(jù)。

圖1 雷達系統(tǒng)示意圖

圖2 雷達檢測原理示意圖

數(shù)據(jù)處理[2]包括消除隨機噪聲、壓制干擾，改善背景;進行自動時變增益或控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進行濾波處理，除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。

圖像解釋是識別異常，這是一個經(jīng)驗積累的過程，一方面基于地質(zhì)雷達圖像的正演結(jié)果，另一方面由工程實踐成果獲得。只有獲得高質(zhì)量的地質(zhì)雷達圖像并能正確的判別異常才能獲得可靠、準(zhǔn)確的地質(zhì)解釋結(jié)果。

3 隧道檢測中常見異常情況的地質(zhì)雷達圖譜特征

在隧道二次襯砌檢測中，常見的問題主要有脫空、空洞、不密實。

3.1 脫空

脫空一般指隧道二次襯砌與初襯之間的空隙，有些脫空比較大，成為成片的脫空帶。在隧道建設(shè)中，脫空是最常見的問題之一，它的存在給隧道的安全運營帶來了巨大的隱患，也是隧道檢測內(nèi)容中最為主要的一項檢測任務(wù)。脫空的地質(zhì)雷達圖像特征是襯砌界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面的信號，兩族信號時程差較大，出現(xiàn)多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發(fā)生相位錯位，且其能量明顯增強[2]。常見的脫空主要有二次襯砌背后的脫空、板與板之間接縫處的脫空和二襯后孤石處脫空。

1)二襯后脫空。如圖3所示，圖3中線框內(nèi)為某隧道二襯背后脫空帶。此缺陷主要發(fā)生在二次襯砌的背后，位置在拱頂處，圖像表現(xiàn)特征主要是帶狀。此類缺陷產(chǎn)生的主要原因是二襯混凝土硬化后收縮形成的收縮縫或者由于澆筑混凝土?xí)r模板的變形、臺架下沉而形成。圖4為某隧道二襯背后的三角形脫空，其位置在隧道拱腰處，圖像表現(xiàn)特征主要是比較小的帶狀，且有一定傾角。其原因主要是初次噴射混凝土的表面凸凹不平，防水板繃緊所致。

圖3 二襯背后脫空帶

圖4 二襯背后脫空

2)二襯板縫處的倒三角形脫空。如圖5所示，圖5中線框內(nèi)為隧道二襯板縫處的倒三角形脫空。此缺陷主要發(fā)生在兩板之間接縫的地方，圖像表現(xiàn)特征主要是倒三角形，缺陷產(chǎn)生的主要原因是施工過程中振搗不到位，板與板接縫處有少量的空氣沒有能夠有效的排出造成的。

圖5 二襯板縫處的倒三角形脫空

圖6 二襯后部孤石處脫空

3)二襯后部孤石處脫空。如圖6所示，圖6中線框內(nèi)為隧道二襯后部孤石處脫空。此缺陷發(fā)生在二次襯砌與初次襯砌之間，圖像表現(xiàn)特征主要是強烈的、有尖角的反射信號，缺陷的產(chǎn)生主要是爆破效果不好，欠挖所致。

3.2 空洞

空洞一般指存在于隧道襯砌中的空腔。在隧道二次襯砌中，空洞一般有小體積的空洞和長度比較長、體積比較大的空洞帶。空洞的地質(zhì)雷達圖像特征和脫空的地質(zhì)雷達圖像是一樣的。它們兩者之間一個很顯著的區(qū)別就是它們的位置不一樣。脫空一般在二襯和初襯的界面處，而空洞一般在二襯或者初襯內(nèi)部。

如圖7所示，圖7中線框內(nèi)為隧道二襯內(nèi)部的小體積的空洞。此缺陷發(fā)生在二次襯砌內(nèi)部，圖像表現(xiàn)特征主要是比較小、信號比較強烈、有尖角出現(xiàn)。缺陷產(chǎn)生的主要原因是振搗不實，在二襯混凝土中有氣泡存在。如圖8所示，圖8中線框內(nèi)為某隧道拱頂二襯中的內(nèi)部空洞帶。此缺陷也是發(fā)生在二次襯砌的內(nèi)部，圖像表現(xiàn)特征主要是帶狀、比較長的缺陷，缺陷產(chǎn)生的主要原因是模板剛度不夠，在二襯混凝土重力作用下發(fā)生變形。

圖7 二襯內(nèi)部的空洞

圖8 二襯內(nèi)部脫空

3.3 不密實

如圖9所示，圖9中線框內(nèi)為隧道二襯中的不密實。此缺陷發(fā)生在二次襯砌內(nèi)部，地質(zhì)雷達圖像表現(xiàn)特征主要是襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散[2]。缺陷產(chǎn)生的主要原因是在隧道二襯施工過程中，振搗不到位，在重力作用下，混凝土發(fā)生離析。

圖9 二襯中的不密實

4 結(jié)語

以上列出的僅是隧道二次襯砌中常見的幾種地質(zhì)雷達檢測缺陷圖，并對這些缺陷的地質(zhì)雷達圖形特征和產(chǎn)生原因進行了說明。由于檢測環(huán)境的復(fù)雜性和外界存在大量的干擾，要在隧道檢測中做到準(zhǔn)確無誤，還必須把探測的圖像和現(xiàn)場實際情況結(jié)合起來，充分調(diào)查了解工程的施工、設(shè)計以及地質(zhì)等有關(guān)內(nèi)容。

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

[2] TB 10223-2004，鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].