隧道初衬背后空洞地质雷达探测研究

雷 鸣1,2,龚书林3

(1 广东云梧高速公路有限公司 云浮市 527300;2 广东大公路工程有限公司 广州市 510620;

3 湖南省高速公路管理局 长沙市 410001)

摘 要:探地雷达是岩土工程检测中较为经济、高效的检测工具之一,可以对初衬喷射混凝土的厚度、背后空洞及超挖回填密实情况进行探测。

关键词:地质雷达;隧道;初衬;背后空洞

探地雷达以其经济、无损、快速而直观的特点成为了近年来岩土工程检测最主要的工具之一。雷达波频率高、波长短、分辨率高,可实现连续性测量,是目前钢筋数量、混凝土厚度、质量和围岩状态探测的首选方法之一。探地雷达类似于探空雷达,他是利用高频电磁波束的反射来探测地下目标体。由于我国近年来经济的发展,基础设施建设的增多,使得探地雷达技术在工程方面的应用越来越广泛。近年来,该技术已被广泛应用于工程地质勘查、土木工程检测、矿产资源勘查、水文与生态环境调查、地质灾害预测、地下掩埋物体的探测等众多领域,特别是在混凝土无损捡测,确定钢筋位置和数量、衬砌与围岩之间的空洞、喷射混凝土的厚度等方面发挥着越来越大的作用。

1 地质雷达探测工作方法

1 1 地质雷达工作原理

地质雷达(简称GPR)剖面测量与声纳、地震反射法类似,采用的是时间域脉冲雷达,将宽频带的脉冲电磁波发射到介质中,通过接受反射信号达到探测目标体的目的,雷达系统向被探测物发射电磁波脉冲,电磁脉冲穿过介质表面,碰到目标物或不同介质的界面被反射回来,根据电磁波的双程走时,分析确定探测目标的形态及结构特性,其探测原理如图1所示。

通过对GPR时域波形的采集、处理和分析,可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。因此, 在发射和接收天线同步移动,进行地质雷达剖面测量时,通过测量地下介质中的雷达波传播速度、振幅、相位就可以确定反射体的深度等参数。从方法原理来看,要获得有效的反射波,必须存在有电性差

异的界面。

图1 地质雷达探测原理

1 2 天线频率选择

GPR探测深度随着天线频率的不同而不同,一般为0 5~80m。总地来说,频率越低,探测深度越大,与此相对,频率越高,探测深度越浅。对初衬喷射混凝土背后空洞及超挖回填密实情况进行探测一般选用400M~1 5G的天线,不同天线频率的适用范围见表1。本文选用900M天线作为实测研究。

表1 天线频率与分辨率、最大测深及盲区

天线频率/M H z分辨率/m最大测深/m盲区/m 20000 04~0 081 5~2 0-

9000 23~50 08

5000 57~100 25~0 5

3001 07~100 5~1 0

1501 510~151 0

收稿日期:2009-11-05

1 3 介质的介电常数

相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言,工程勘探和检测中通常所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中,反射系数和波速主要取决于介电常数[1]。

=

1- 2

1+

2

v =c

式中: 为反射系数;v 为速度; 为介质的相对介电常数;c 为电磁波在空气中的传播速度;下角标 1,2 分别表示上、下介质。

由于隧道中不同介质之间存在明显的介电常数、电导率的差异,这为雷达检测隧道喷射混凝土空洞提供了可靠的地球物理依据。在隧道初期支护质量检测中,空气的相对介电常数为1 0,喷射混凝土为6~9,水为81,岩石的介电常数一般大于8,这与其含水率有很大的关系。

电磁波由空气进入喷射混凝土层,会出现强反射(对应地面,并且由于空气中电磁波传播速度较快,这时的地面对应的是负相位);当电磁波遇到空洞时,会在空洞的上下边界产生较强的反射。通过标定出介质中的电磁波传播速度后,由公式t =4x 2

+x 2

/v ,以及雷达记录到的电磁波走时,即可计算出目标体的深度和范围。1 4 实测资料处理的依据

实测资料的处理主要采用 RADAN 软件进行分析。在该软件中,主要是利用 Pro cess 菜单中的数字滤波器(如IIR Filter 、FIR Filter )、褶积(Deco nvo lution)、偏移(Mig ratio n)、希尔伯特变换(H ilbert Xform)等方法对野外采集结果进行预处理,然后根据现场岩性的具体情况(特别是岩石的含水情况),选择合理的相对介电常数。

2 工程实例

以广东省某高速公路隧道检测为例,具体探讨地质雷达在隧道喷射混凝土空洞检测中的应用。隧道喷射混凝土设计参数如下:检测区段为ZK43+538~ZK43+588,厚度为22cm 。

现场检测工作采用美国GSSI 公司生产的SIR -3000型地质雷达,检测车辆采用工地上常用的工具车。选用的天线频率为900M H z,雷达采样连续

透视扫描。每座隧道共检测5条测线,如图2所示,

它们分别位于隧道的拱顶,左、右拱肩以及左、右边墙5个部位。

图2 雷达检测测线断面布置示意

检测的主要内容:探测隧道衬砌背后是否存在空洞以及空洞存在的位置和规模。

在实际探测过程中发现,地质雷达的探测深度与探测效果,除了野外探测时测量参数选择合适外(中心频率、时窗、采样率、测点点距),还与实际工作时的雷达参数(系统增益、采样间隔、叠加次数等)的选择有关。图3为本次检测的部分图像。

图3 拱顶雷达检测图像

本次实测资料的处理主要采用 RADAN 5 0 软件进行分析。由于本次隧道初期支护质量检测的天线中心频率为900M H z,在完成野外数据采集之后,进行数字滤波时,选择频率为400~1200MH z 的带通滤波器进行滤波。运用 Interactive Inter pretation 进行初期支护厚度界面提取,利用 Pick points 提取上、下界面的距离,计算出初期支护喷射混凝土厚度。利用 Deconv olutio n 、 M ig ra tion 、 H ilber t Xfor m 等操作,对原始数据进行转换、分析、偏移等手段,分析初期支护是否存在空洞等安全隐患。

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公 路 2009年 第12期

由于电磁波遇到空洞时,会在空洞的上下边界产生较强的反射。在图3中,扫描道数在1400~1480道(对应桩号ZK43+578~ZK43+579)范围内,深度在20cm 左右存在厚约18cm 的空洞。3 结语

地质雷达作为一种快速、高效的探测技术,实践证明,地质雷达在喷射混凝土体内部的空洞位置和规模的检测中具有良好的效果,能够清晰地分辨出喷射混凝土背后的脱空情况。但是,在围岩较好,且喷射混凝土结合较好的地方对厚度的探测会存在一定的误差,这主要是由于围岩与喷射混凝土的介电常数差异不明显造成的,解决这类问题仍有待做进一步的研究。相信随着电磁波动力学特征的进一步深入研究,雷达技术在工程领域将更具应用前景。

参考文献:

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筑,2007,(10):329-330

[2] 黄启书 隧道衬砌质量地质雷达检测研究[J] 方法

应用,2008,(2):39-41

[3] 姜卫方,万明浩,谢雄耀,等 混凝土内钢筋位置检测

实例[J] 上海地质,1999,69(1):47-54

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[5] 刘军,赵晓华,赵崇钐 钢筋混凝土板的雷达波无损检

[J] 汕头大学学报:自然科学版,2003,18(4):67-72

[6] 马德芹 探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J]

建筑施工技术,2003,12(6):26-28

Research on Back Cavity of Tunnel Initial Lining

Detected by Ground Penetrating Radar

LEI Ming 1,2,GO NG Shu lin 3

(1 Guangdong Yu nw u H ighw ay Co ,Ltd ,Yunfu 527300,China;

2 Guangdong Provincial Changda H ighw ay En gineering Co ,Ltd ,Gu angz hou 510620,Ch ina;

3 H un an Provincial High way Administration,Ch angs ha 410001,China)

Abstract:Gr ound penetr ating radar is a kind of econo mical and high efficient detection tools in

geotechnical eng ineer ing and can detect the thickness of sprayed concrete for initial lining ,back cav ity and com pacting status of backfilling fo r o verbreak in tunnel

Key words:gro und penetrating radar;tunnel;initial lining;back cav ity ∀简讯∀

2009年12月4日,由青岛市润邦化工建材有限公司承担完成的 废橡塑用于沥青路桥面再生养护涂料 项目,顺利通过青岛市科技局和青岛市企业发展局联合组织的科技成果产品鉴定。来自中国海洋大学、青岛科技大学、山东省交通科学研究所、青岛市公路局等部门的专家一致认为该成果技术路线先进合理,有创新性,达到国内领先水平。

该项目以废塑料、废橡胶和沥青为主要原料,通过化学物理改性,得到稳定的水性沥青路桥面再生养护涂料。该水性涂料具有明显的防水性能,可充分渗入沥青混凝土孔隙和微小裂缝,改善沥青路面原有性能,延缓沥青老化,防止沥青路面松散和开裂,可有效延长沥青路面的使用寿命。并具有降低噪音及一定的融雪功能。

该项目的生产应用不仅为我国废旧塑料、废旧橡胶的资源化利用开辟了新的途径,而且为我国的沥青路桥面环保养护提供了一种物美价廉的新产品,必将为我国公路养护事业带来具大的经济效益。符合我国构建资源节约型、环境友好型社会发展要求。

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