隧道質量無損檢測中雷達波形分析與探討

趙常要,鄧新生

(1.中鐵西北科學研究院有限公司工程檢測試驗中心,蘭州 730070;2.勞雷工業有限公司,北京 100020)

隧道質量無損檢測中雷達波形分析與探討

趙常要1,鄧新生2

(1.中鐵西北科學研究院有限公司工程檢測試驗中心,蘭州 730070;2.勞雷工業有限公司,北京 100020)

通過對不同襯砌類型下的襯砌密實性、拱架的特征波形做進一步地梳理和深入探討,分析不同襯砌工況下空洞、拱架對應的主要判定特征;對襯砌結構劃分類別,并對襯砌密實性、拱架的判定特征在不同襯砌工況下多條隧道雷達波形差異性進行分析和對比,總結出不同襯砌工況下的共性。在隧道二次襯砌內無鋼筋布設時,空洞和拱架之間存在影響,但可以判定;在隧道二次襯砌內存在鋼筋布設時,鋼筋對背后的脫空和拱架具有屏蔽作用,影響雷達圖像的判釋。

隧道;無損檢測;判定特征;探地雷達

1 概述

我國鐵路、公路隧道事業的發展日新月異。如何對建成的隧道工程質量客觀地、合理地、科學地作出準確的評價,是現階段隧道工程界亟待解決的問題。探地雷達在隧道無損檢測中相應規范較少,僅原鐵道部發布了專門針對鐵路隧道襯砌質量無損檢測的規程[1],交通部、水利部等僅在施工規范或驗收規范[2-4]中略有提及,缺少足夠的深度,探地雷達在隧道質量檢測中的工作很難用統一的標準進行衡量,多數僅靠檢測人員的實踐經驗來判定,同時檢測人員技術水平參差不齊,使用的設備良莠不分,隧道無損檢測中出現誤判、漏判在所難免。探地雷達圖像本身存在著有效異常和干擾異常,如何準確區分圖像中的有效異常與干擾異常是雷達檢測工作的重點所在。規范中僅對密實、不密實、空洞、鋼架、鋼筋的主要判定特征進行了描述,雖然隧道質量檢測方面的文章[5-10]已常見于報端,但多停留在隧道檢測工作的如何實施,對雷達圖像的分析不夠深入,很難滿足隧道復雜襯砌狀況下雷達圖像分析工作的需要,而且隧道無損檢測中遇到的情況往往比規范中描述的更為復雜,因此對雷達圖像進行深入探討,以供后續雷達圖像分析工作者參考。

2 襯砌工況的劃分

隧道無損檢測工作主要檢測二襯厚度、鋼筋間距、拱架間距、二次襯砌與初期支護間是否存在脫空、初期支護背后是否存在空洞。二次襯砌厚度可以通過二次襯砌追層分析來確定;鋼筋由于未受到拱架、空洞反射波形的影響,也易準確判定;拱架間距及空洞判定常會因二次襯砌鋼筋反射波的屏蔽受到影響。為便于分析隧道主要組成部分的判定特征,特將隧道襯砌狀況劃分為3種,第一種工況為初期支護內無拱架且二次襯砌內無鋼筋;第二種工況為初期支護內有拱架而二次襯砌內無鋼筋;第三種工況為初期支護內有拱架且二次襯砌內有鋼筋。

3 襯砌密實性在不同工況下的判釋

3.1 襯砌密實性判釋

密實系指襯砌與圍巖密貼或襯砌背后全部用填料回填、填料內無空隙。不密實系指襯砌背后全部用填料回填,但填料內空隙率較大。空洞系指襯砌背后沒有或部分回填,襯砌背后有明顯空隙、空腔或空洞,包含二次襯砌背后脫空。規范[1]中規定:襯砌背后回填密實度的主要判定特征應符合下列要求。

(1)密實:信號幅度較弱,甚至沒有界面反射信號;

(2)不密實:襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形,且不連續,較分散;

(3)空洞: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信號,兩組信號時程差較大。

3.2 第一種襯砌工況下空洞的判釋

第一種襯砌工況下由于沒有鋼筋和拱架的干擾,混凝土的密實情況易判定,襯砌混凝土密實的部位雷達圖像信號幅度較弱,甚至沒有界面反射信號,而存在空洞或脫空的部位,雷達圖像明顯增強,同相軸連續,三振相明顯。圖1為某A隧道拱頂實測雷達圖像,在所圈部位,雷達波波幅明顯增強,同相軸連續,從所處的位置判定為二次襯砌與初期支護間脫空。

3.3 第二種襯砌工況下空洞的判釋

第二種工況下,隧道初期支護內有拱架,二次襯砌內無鋼筋。這種情況下空洞可能出現在初支背后也可能出現在二襯背后,通過拱架和空洞的相對位置判定空洞所處的位置。圖2為某B隧道拱頂實測雷達圖像,在空洞所在區域,拱架判定特征易見,而拱架背后形成反射很強的同相軸界面,拱架判定特征下部分波形受空洞特征波形影響。空洞反射波的起始位置在拱架判定特征之后,判定初期支護背后存在空洞,從信號反射的強弱定性判定空洞嚴重。而圖3所示的C隧道中,空洞所在區域反射信號較強,存在較強的三振相反射,從拱架與空洞判定特征的起始位置看,判定該處為二次襯砌與初期支護間存在脫空,脫空背后的拱架信息受到影響,比較模糊,很難辨識,脫空下面的圖像反射較弱,定性判定該處脫空程度較輕。

圖1 某A隧道襯砌拱頂檢測實測雷達圖像

圖2 某B隧道襯砌拱頂檢測實測雷達圖像

圖3 某C隧道襯砌拱頂檢測實測雷達圖像

3.4 第三種襯砌工況下空洞的判釋

第三種工況下,隧道初期支護內有拱架,二襯內有鋼筋。這種工況下由于鋼筋反射波屏蔽的影響,判定結果易出現偏差,甚至出現無法判釋的情況。圖4為某D隧道實測雷達圖像,圖中鋼筋特征信息清晰,鋼筋背后無強反射界面,判定該檢測部位鋼筋背后密實。

圖5為某E隧道實測雷達圖像,圖中鋼筋背后存在明顯的同相軸反射,而且從強反射的起始位置可以判定脫空在二襯背后,由于二襯背后脫空嚴重,造成空洞背后的初期支護反射信息被屏蔽,無法檢測到有效的初期支護信息,也無法判定空洞的深度。而圖6中所顯示的脫空程度明顯要輕于圖5中的脫空程度,圖6中,脫空后面的反射波較弱,脫空的三振相未形成多次反射。因此空洞深度的判定只能定性,很難定量。

圖4 某D隧道襯砌檢測實測雷達圖像

圖5 某E隧道襯砌檢測實測雷達圖像

圖6 某F隧道襯砌檢測實測雷達圖像

圖7為某G隧道實測雷達圖像,圖中DK1485+ 557～DK1485+562段雖然出現了較兩側稍強的反射,但是從強反射的位置判定強反射信息不是由脫空引起,而是因為該處鋼筋保護層較薄,鋼筋外凸,增益不適合此處的雷達波,造成后面的反射信號較強,這種情況易誤判成空洞。

圖7 某G隧道襯砌檢測實測雷達圖像

4 拱架在不同襯砌工況下的判釋

4.1 拱架信息的判釋

拱架在隧道中常用的有工字鋼和格柵拱架。規范中規定:拱架的主要判定特征應符合分散的月牙形強反射信號。

4.2 拱架在第二種襯砌工況下的判釋

在第二種襯砌工況下,由于隧道二次襯砌內無鋼筋布設,拱架的判定特征清晰可見,對此,對第二種工況下工字鋼和格柵拱架判定特征的差異性、拱架特征波形受埋設深度的影響進行深入分析。

(1)工字鋼和格柵拱架判定特征的區別

圖8和圖9分別為某H隧道和某I隧道實測雷達圖像,其中H隧道為工字鋼,I隧道為格柵拱架,由于格柵拱架與工字鋼結構上存在差異,雖然都呈現出分散的月牙形強反射信號,工字鋼整體性好,月牙形整體性好;而格柵拱架由4根鋼筋拼接而成,整體性差,特征波形在保留拱架的月牙形信息的同時又體現出了格柵拱架組成構件反射的不同步性。

圖8 某H隧道襯砌檢測實測雷達圖像

圖9 某｜隧道襯砌檢測實測雷達圖像

(2)拱架特征波形受埋設深度的影響

圖10為某J隧道實測雷達圖像,圖中隨著拱架位置不斷深入,拱架判定特征逐漸模糊,說明拱架隨著埋設的深入,拱架前面的混凝土層達到足夠厚時,拱架信息將很難捕捉到,易誤判成缺少拱架。

4.3 第三種襯砌工況下拱架的判釋

在第三種襯砌工況下,由于二次襯砌內鋼筋的屏蔽作用,對初期支護內拱架的判釋帶來極大困難,一般情況下很難判定,在某些特殊情況下可以捕捉到拱架的判定特征。

圖11為某K隧道實測雷達圖像,該隧道主要為Ⅲ級加強支護,初期支護內有拱架,二次襯砌內無鋼筋,每50 m要求布設一5 m的加強段布設鋼筋,以供通風設施使用,取其中一段分析,二次襯砌無鋼筋的段落拱架信息清晰,而在加強的5 m區域,拱架信息模糊,甚至很難辨識,一般情況下在二次襯砌存在鋼筋的情況下,拱架信息受到二次襯砌鋼筋屏蔽影響非常大,很難判定拱架的準確信息。

圖10 某J隧道襯砌檢測實測雷達圖像

圖11 某K隧道襯砌檢測實測雷達圖像

在二次襯砌布有鋼筋的情況下,一些比較特殊的情況下可以檢測到清晰的拱架特征波形,如圖12和圖13所示的某L隧道和某M隧道,隧道二次襯砌布有鋼筋,但拱架判定特征清晰可見,分析為:該檢測部位,由于拱架與鋼筋間距偏大,鋼筋的二次反射與拱架反射信息不重疊,對拱架的特征波形屏蔽作用大大降低,因此可以檢測到清晰的拱架判定特征。

圖12 某L隧道襯砌檢測實測雷達圖像

圖13 某M隧道襯砌檢測實測雷達圖像

5 結語

(1)在第二種工況下,脫空影響拱架反射的特征波形,脫空程度嚴重,拱架信息將直接被屏蔽掉,只能從兩側不存在脫空的區域判定拱架信息,而當拱架背后存在空洞時,拱架特征波形的下部信息會受到空洞反射的影響,但拱架信息可見。

(2)格柵拱架和工字鋼拱架由于在結構上存在區別,雖然二者都能反射出月牙形的拱架特征波形,由于工字鋼拱架整體性好,特征波形具有很好的整體性。

(3)鋼筋屏蔽作用對檢測工作的影響很大,雖然一些特殊情況下在存在鋼筋的前提下可以檢測到清晰的拱架信息,但在存在鋼筋的情況下很難保證檢測到準確的拱架信息,拱架數量信息最好在二次襯砌施工前確定。

(4)鋼筋位置的變化也可能造成其背后出現干擾異常,引起誤判,可以根據強反射出現的位置判定鋼筋背后的異常是有效異常或干擾異常。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10223—2004/J341—2004鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程[S].北京:中國鐵道出版社,2004.

[2] 中華人民共和國交通部.JTG F60—2009公路隧道施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[3] 中華人民共和國交通部.TG F801—2004公路工程質量檢驗評定標準[S].北京:人民交通出版社,2004.

[4] 中華人民共和國水利部.SL 326—2005水利水電工程物探規程[S].北京:中國水利水電出版社,2005.

[5] 杜世回.基于穩定性概念的鐵路隧道圍巖分級研究[J].鐵道標準設計,2012(9):77-80.

[6] 李霄凱,童正洪.高速鐵路隧道地質雷達法檢測技術[J].鐵道標準設計,2012(2):88-91,106.

[7] 郭有勁.地質雷達在鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用[J].鐵道工程學報,2002(2):71-74.

[8] 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):268-270.

[9] 姜汶泉,劉亞玲,汪林平.地質雷達在公路隧道超前地質預報中的應[J].地下空間與工程學報,2008,4(4):649-652.

[10]劉傳孝,蔣金泉,楊永杰.地質雷達應用于探測拱橋空洞的效果驗證[J].巖土力學,2001,22(1):106-108.

Analysis and Approach to the Image of the GPR in Nondestructive detection of Tunnel Lining

ZHAO Chang-yao1,DENG Xin-sheng2
(1.The Department of Engineering Test,Northwest Research Institute Co.,Ltd.,of C.R.E.C; Lanzhou 730070,China;2.Laurel Industrial Company,Inc,Beijing 100020,China)

The compactness of different lining types and the characteristics of arch waveform are sorted and discussed to analyze the characteristics of determination corresponding to void and arch under different working conditions.Lining structures are classified and the radar waveform differences in the lining compactness and the determination characteristics of arch under different lining conditions are analyzed and compared,and the similarities of different lining conditions are summarized.With no reinforcement in the second tunnel lining,influence between void and arch can be determined,while with reinforcement in the second tunnel lining the shielding concrete to the void and arch have effects on radar image interpretation.

Tunnel;Non-destructive detection;Characteristics determination;Ground penetrating radar (GPR)

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.026

1004-2954(2014)12-0109-04

2014-04-11;

2014-05-01

趙常要(1981—),男,工程師,碩士,E-mail:31632714@ QQ.com。