地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用分析

張玭昊

摘 要：在對隧道襯砌質(zhì)量實(shí)施檢測過程中，由于地質(zhì)雷達(dá)具有可靠、經(jīng)濟(jì)以及輕便靈活等特點(diǎn)，因此其應(yīng)用越來越廣泛，可以使隧道襯砌質(zhì)量檢測準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。本文首先對地質(zhì)雷達(dá)的相關(guān)原理加以分析，并根據(jù)實(shí)際工程，對檢測時(shí)的雷達(dá)圖像和隧道缺陷進(jìn)行分析，最后對提高檢測精度的相關(guān)措施進(jìn)行總結(jié)，旨在為今后檢測提供借鑒。

關(guān)鍵詞：圖像特征;隧道襯砌質(zhì)量;地質(zhì)雷達(dá)

1 概述

地質(zhì)雷達(dá)主要具有無損、高效、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性以及輕便性等特點(diǎn)，因此在對水利、市政、公路以及鐵路等實(shí)施無損檢測過程中，其應(yīng)用越來越廣泛。使用該種方法不但可以使隧道安全質(zhì)量狀況評價(jià)更加科學(xué)，還可以使隧道施工質(zhì)量管理力度進(jìn)一步提高，從而達(dá)到提高隧道施工質(zhì)量的目的。因此施工單位在對隧道實(shí)施施工過程中，應(yīng)以地質(zhì)雷達(dá)為基礎(chǔ)，對其襯砌缺陷進(jìn)行分析，為施工管理提供依據(jù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)的主要原理

在實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)檢測時(shí)，其本質(zhì)是電磁波探測技術(shù)，具有連續(xù)、非接觸、快速等特點(diǎn)，因此其分辨率高、采集速度快。電磁波的傳遞過程需要借助介質(zhì)，因此介質(zhì)的幾何形態(tài)以及電性質(zhì)與其波形、電磁場強(qiáng)度以及路徑息息相關(guān)。因此，技術(shù)人員可以以接收波的波形、幅度以及雙程走時(shí)（旅行時(shí)間）為基礎(chǔ)，對地下介質(zhì)分布情況加以分析。

接收部分以及發(fā)射部分為地質(zhì)雷達(dá)重要組成部分，其中發(fā)射部分主要可分成天線（向外輻射電磁波）以及發(fā)射機(jī)（產(chǎn)生高頻脈沖波）兩部分，以60°～90°波束角的形式將電磁波發(fā)射到地下，在電磁波的傳播過程中，若存在電性分界面，則會(huì)出現(xiàn)反射，隨后由接收電線接收反射波及直達(dá)波，并將其傳遞到接收機(jī)，并對其圖像進(jìn)行處理，對前方目標(biāo)體進(jìn)行探測。圖1為計(jì)算圖。

其中：收發(fā)距為x（該值一般為固定的）;波速為v（介質(zhì)一定時(shí)，該值固定）;目標(biāo)體深度為z;t為電磁波雙程走時(shí)。為了了解物體內(nèi)部的介質(zhì)剖面圖，技術(shù)人員可以將接收天線和發(fā)射天線同步在物體表面進(jìn)行移動(dòng)進(jìn)行探測。

3 對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測時(shí)其典型圖譜的主要特征

3.1 襯砌厚度

以原理為基礎(chǔ)對地質(zhì)雷達(dá)檢測原理加以分析可知，在介質(zhì)電性差異不斷增加的過程中，其探測效果差異則會(huì)隨之提高。因此在對襯砌混凝土實(shí)施檢測過程中，其圍巖和混凝土之間的接觸密實(shí)度越高，質(zhì)量越好，其反射能量則會(huì)相應(yīng)降低，圍巖和混凝的反射截面模糊性則會(huì)越高。技術(shù)人員在對雷達(dá)剖面圖進(jìn)行分析時(shí)，可以得到能量強(qiáng)、連續(xù)性好的反射波組，則可明確圍巖或噴射混凝土與襯砌混凝土間分界面的具體位置，最終可對襯砌厚度進(jìn)行分析。但是在對隧道圍巖實(shí)施開挖施工時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)欠挖或超挖問題，導(dǎo)致圍巖和襯砌截面反射波曲線具有一定的起伏。對襯砌厚度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以用以下式為依據(jù)：

其中：襯砌厚度為h;襯砌雷達(dá)波速為v;電磁波雙程旅行時(shí)間為Δt（ns）。以圖譜（圖2）為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行分析，可知部分施工段襯砌厚度與設(shè)計(jì)要求不相符。

當(dāng)鋼筋混凝土為二襯布設(shè)時(shí)，在電磁波趨膚效應(yīng)等的影響下，混凝土中雙層鋼筋會(huì)使電磁波衰減，導(dǎo)致襯砌厚度計(jì)算困難進(jìn)一步提高，為了使鋼拱架更清晰，技術(shù)人員可以運(yùn)用反褶積、濾波等手段對圖像實(shí)施處理，與此同時(shí)，技術(shù)人員可以以鋼拱架位置為依據(jù)，對二次襯砌厚度進(jìn)行分析。

3.2 鋼拱架和鋼筋

對相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析可知，雷達(dá)圖譜所反映出的鋼筋信號應(yīng)為小雙曲線形（見圖3）;與此同時(shí)，雷達(dá)圖譜所反映出的鋼拱架信號應(yīng)為月牙形（見圖4）。

產(chǎn)生上述圖譜的主要原因是，在對隧道實(shí)施檢測過程中，其鋼筋混凝土中的鋼筋通常為多根并排的形式，相鄰鋼筋會(huì)產(chǎn)生干擾，由于雷達(dá)分辨率、鋼筋間距以及直徑等的影響，會(huì)使其呈現(xiàn)連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射;在對鋼拱架進(jìn)行檢測時(shí)，其呈現(xiàn)出的形狀為開口向下、分散的弧形，通常相較于鋼筋，鋼拱架的信號更強(qiáng)。

3.3 不密實(shí)和空洞

在對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測時(shí)，不密實(shí)和空洞是常見的病害種類。當(dāng)進(jìn)行二次襯砌施工時(shí)，若所使用的工藝為模筑泵送混凝土工藝，拱頂施工接縫處極易出現(xiàn)三角形空洞，在雷達(dá)圖譜上主要表現(xiàn)為相鄰道間存在相位錯(cuò)位、同相軸呈弧形、相位反轉(zhuǎn)、強(qiáng)反射以及多次性等特點(diǎn)。當(dāng)存在不密實(shí)情況時(shí)，圖像有較分散、強(qiáng)反射信號同相軸不連續(xù)。

以地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)對隧道襯砌質(zhì)量實(shí)施檢測過程中，剖面還可以反映出高壓線、機(jī)動(dòng)車、鋼板、臺架以及模板臺車等物體，與此同時(shí)，檢測數(shù)據(jù)還會(huì)受到信號接收器以及移動(dòng)電話的影響。在實(shí)施檢測時(shí)，為了使檢測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，技術(shù)人員應(yīng)減少外部干擾，若無法控制干擾，技術(shù)人員應(yīng)對干擾信號進(jìn)行記錄，并對雷達(dá)圖像實(shí)施觀察，一旦出現(xiàn)異常則應(yīng)對其原因進(jìn)行查找，對構(gòu)造物以及地下管線等情況實(shí)施分析，使檢測準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。

4 保障檢測精度的主要措施

4.1 對數(shù)據(jù)采集增益設(shè)置過程進(jìn)行控制

技術(shù)人員在實(shí)施增益設(shè)置過程中，應(yīng)采用現(xiàn)場錘擊聽聲法對變強(qiáng)噴射混凝土進(jìn)行測試，選擇密實(shí)度最好的部位進(jìn)行設(shè)置，由于隧道拱部極易出現(xiàn)脫空及崆峒等病害，因此技術(shù)人員不應(yīng)拱部位置實(shí)施增益設(shè)置。除此之外，在對現(xiàn)場實(shí)施增益設(shè)置時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)將雷達(dá)天線周圍干擾物清理干凈。

4.2 對干擾圖像辨識以及病害識別過程進(jìn)行控制

為了使隧道干擾圖像辨別以及病害識別準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高，技術(shù)人員不但需要熟悉干擾信號雷達(dá)圖和隧道典型病害，還需要了解隧道施工和設(shè)計(jì)技術(shù)，對雷達(dá)圖病害信號進(jìn)行有針對性的分析。例如：當(dāng)隧道出現(xiàn)超挖時(shí)，初期支護(hù)拱架會(huì)出現(xiàn)空洞或脫空等問題，此時(shí)圖像中的異常強(qiáng)反射通常出現(xiàn)在深度0.2 m～0.4 m處。與此同時(shí)，當(dāng)隧道內(nèi)存在干擾源時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)對其進(jìn)行記錄，并對記錄內(nèi)容進(jìn)行控制，提高其詳細(xì)度，使數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)分析更加準(zhǔn)確;技術(shù)人員還應(yīng)對異常信號原因進(jìn)行判斷，判斷其異常原因是由干擾源導(dǎo)致的還是由襯砌內(nèi)病害所導(dǎo)致的。在移動(dòng)天線過程中，圍巖和襯砌之間的表面反射信號和反射信號變化應(yīng)為同步的，但是當(dāng)隧道內(nèi)存在干擾源時(shí)，其反射波會(huì)呈現(xiàn)反向變化的情況，以此為依據(jù)，便可對異常原因進(jìn)行判斷。

4.3 對隧道襯砌厚度檢測進(jìn)行控制

為了使波速數(shù)值更加準(zhǔn)確，技術(shù)人員應(yīng)多選擇幾個(gè)位置進(jìn)行鉆孔，并對波速平均值進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)波速值為3～5個(gè)時(shí)，可以將其誤差控制在5%的范圍內(nèi)。與此同時(shí)，在對波速進(jìn)行檢測時(shí)，技術(shù)人員還可以使用微電測深法（誤差范圍為-2 cm～2 cm），該種方法不需要打孔，且測量過程便捷，達(dá)到多次測量的目的。通過對檢測過程進(jìn)行分析可知，平均波速法可以將襯砌厚度誤差控制在-5 cm～5 cm的范圍內(nèi)。

4.4 對隧道襯砌質(zhì)量檢測里程定位進(jìn)行控制

在對隧道襯砌質(zhì)量實(shí)施檢測過程中，時(shí)間觸發(fā)方式應(yīng)用較為廣泛。為了使其檢測精度進(jìn)一步提高，技術(shù)人員在進(jìn)行現(xiàn)場采集過程中，技術(shù)人員應(yīng)對天線移動(dòng)速度進(jìn)行控制，并盡量保持勻速，使里程內(nèi)插誤差進(jìn)一步降低，與此同時(shí)，為了使定位里程準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高，技術(shù)人員應(yīng)提高記錄的詳細(xì)性。

5 結(jié)束語

在對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行無損檢測過程中，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，其不但可以為隧道竣工驗(yàn)收和施工質(zhì)量控制提供借鑒，還可以對隧道運(yùn)營安全性進(jìn)行評價(jià)，在隧道維護(hù)、運(yùn)營以及建設(shè)過程中起到了至關(guān)重要的作用。技術(shù)人員應(yīng)充分了解地質(zhì)雷達(dá)的檢測原理，對質(zhì)量缺陷進(jìn)行分析，判斷其圖譜異常的主要原因，與此同時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)對地質(zhì)雷達(dá)檢測準(zhǔn)確性進(jìn)行控制，使其判定更加準(zhǔn)確，保障地質(zhì)雷達(dá)的檢測精度，從而達(dá)到提高隧道襯砌質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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