隧道工程檢測(cè)中雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用
2015-07-29
地質(zhì)雷達(dá)工作的物理基礎(chǔ)是在1928年由德國人根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)的介質(zhì)界面產(chǎn)生反射，從而提出運(yùn)用脈沖技術(shù)確定地底下目標(biāo)的思路。對(duì)著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)在物理探測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。90年代以來，我國引進(jìn)了大量的國外儀器，在地質(zhì)勘查、無損檢測(cè)以及建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是一種新型的無損檢測(cè)方法，與傳統(tǒng)的探測(cè)方式相比，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)具有無損性、高效便捷和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在隧道工程施工的過程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的相關(guān)要素進(jìn)行簡(jiǎn)述，以供參考。
二、地質(zhì)雷達(dá)性能簡(jiǎn)介
2.1地質(zhì)雷達(dá)性能
地質(zhì)雷達(dá)法為電磁波反射探測(cè)法，即波源是由電磁振蕩所產(chǎn)生的電磁波主動(dòng)源。對(duì)應(yīng)儀器所使用的頻率為15～2600MHz，其空氣中的波長(zhǎng)為18.75～0.115m。根據(jù)電磁波劃分方法，地質(zhì)雷達(dá)波屬于高頻～特高頻段（短波～微波段）。電磁波進(jìn)入地下后，速度變慢，波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)縮短約2.5倍，變?yōu)?.5～0.046m，相當(dāng)于甚高頻～微波段（VHF～UHF）。在隧道常用的100～900MHz頻段中，低頻段主要用于地質(zhì)探測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，高頻段主要用于隧道襯砌與支護(hù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)。頻率越高，波長(zhǎng)越短，分辨率越高，但探測(cè)深度變??；反之亦然。通常，400、900MHz常用于隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測(cè)，100、200MHz多用于隧道下部結(jié)構(gòu)或深部較大目標(biāo)或?qū)訝钅繕?biāo)探測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)法與聲波法相比，由于其工作效率高、探測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容廣、顯示直觀、分辨率高、多解性更小、能夠進(jìn)行高速連續(xù)掃描探測(cè)并實(shí)時(shí)顯示，故得到更加廣泛的應(yīng)用。
2.2地質(zhì)雷達(dá)影響因素
地質(zhì)雷達(dá)波通過的地下介質(zhì)為電介質(zhì)，按照介質(zhì)的分類，通常認(rèn)為σ/ωε≤0.01的介質(zhì)是電介質(zhì)（位移電流為主），σ/ωε≥100的介質(zhì)是良導(dǎo)體（傳導(dǎo)電流為主），0.01＜σ/ωε＜100的介質(zhì)視作不良導(dǎo)體或半導(dǎo)體，其中σ、ω、ε分別為電導(dǎo)率、角頻率和介電常數(shù)。對(duì)于σ＞10－2s/m的介質(zhì)，如軟泥、飽和砂礫層、濕的泥巖、海水等，探地雷達(dá)探測(cè)困難；而σ＜10－7s/m則是極好的探測(cè)條件，如空氣、干燥的花崗巖、石灰?guī)r、混凝土、瀝青或?yàn)r青混合料、砂巖等；10－7≤σ≤10－2s/m的介質(zhì)為中等探測(cè)條件，如淡水、雪、砂、粉砂、干粘土（干泥）、永久凍土等。
三、檢測(cè)指標(biāo)體系及其要求
3.1檢測(cè)指標(biāo)體系
現(xiàn)行《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于印發(fā)公路工程竣工質(zhì)量鑒定工作規(guī)定（試行）的通知》及其他相關(guān)技術(shù)規(guī)范中，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)作了嚴(yán)格規(guī)定。
3.2對(duì)檢測(cè)指標(biāo)的要求
3.2.1次襯砌及初期支護(hù)厚度
根據(jù)現(xiàn)行TB10223―2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程》的評(píng)定要求，襯砌厚度相對(duì)誤差應(yīng)小于15%。一般情況下襯砌厚度會(huì)遠(yuǎn)小于此誤差規(guī)定要求，故可作為總體誤差控制目標(biāo)。
3.2.2配筋
雷達(dá)可清晰反映2次襯砌中的配筋，尤其是其布設(shè)較規(guī)范時(shí)，可分段提供第1層鋼筋（內(nèi)緣筋）的數(shù)量和深度，且誤差較小。但被第1層所屏蔽的第2層鋼筋尚無法提供其數(shù)量，但多數(shù)情況下可評(píng)估有無第2層配筋。
3.2.3噴射混凝土厚度
當(dāng)初期支護(hù)中未設(shè)置鋼支撐時(shí)，原則上雷達(dá)檢測(cè)不能單獨(dú)提供噴射混凝土厚度，若確有必要提供，則需結(jié)合外觀觀測(cè)和局部破檢進(jìn)行評(píng)估。施作2次襯砌后由雷達(dá)檢測(cè)所提供的噴射混凝土厚度，其誤差較大，原則上不宜提供，僅供評(píng)估參考。
四、檢測(cè)過程與技術(shù)要求
對(duì)于隧道檢測(cè)測(cè)線位置及數(shù)量的確定，按照合同要求并參照隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)范例和現(xiàn)行TB10223―2004，一般均沿隧道走向分別在拱頂、左右拱腰、左右兩側(cè)邊墻、路面布置6條縱向測(cè)線進(jìn)行連續(xù)掃描探測(cè)，從而可獲取對(duì)應(yīng)測(cè)線附近的襯砌混凝土厚度數(shù)據(jù)及其他相關(guān)資料。另外，測(cè)線數(shù)量可按不同要求進(jìn)行調(diào)整。通常要求提供以下檢測(cè)信息。
1）襯砌厚度數(shù)據(jù)可按拱頂、左右拱腰、左右兩側(cè)邊墻5條縱向測(cè)線間隔5m或10m列表，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；2車道隧道不低于3條測(cè)線，3或4車道隧道不低于5條測(cè)線。但鐵路隧道一般要求不低于6條縱向測(cè)線，即底部還要求另有1條。鑒于現(xiàn)場(chǎng)操作的便捷性和探測(cè)效果，一般以縱向測(cè)線為主，橫向測(cè)線為輔。
2）對(duì)其他檢測(cè)項(xiàng)目予以定量或定性描述，并給出其起止樁號(hào)、起止深度。
3）檢測(cè)深度一般在2.0m內(nèi)，特殊情況在10m內(nèi)。
4）打印典型斷面雷達(dá)回波彩圖。
5）按縱向測(cè)線繪制襯砌厚度圖。
6）繪制有關(guān)缺陷的隧道展開平面圖，并進(jìn)行有關(guān)缺陷的對(duì)應(yīng)描述。
7）病害診斷與分析評(píng)估。
五、實(shí)際應(yīng)用情況
1）實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于孤立的空洞目標(biāo)，當(dāng)使用的雷達(dá)頻率很低時(shí)，即其波長(zhǎng)相對(duì)于擬探測(cè)對(duì)象尺寸很大時(shí)，雷達(dá)灰度圖上基本無反應(yīng)或至多是1個(gè)強(qiáng)反射點(diǎn)（白點(diǎn)），不易于分辨解釋。如使用100MHz工作頻率探測(cè)隧道仰拱中直徑為30cm的中心排水管，這時(shí)雷達(dá)在空氣中的波長(zhǎng)為300cm，若仰拱填充層混凝土的綜合相對(duì)介電常數(shù)按11計(jì)算，則仰拱填充層中的波長(zhǎng)為90cm。由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)和天線發(fā)射角影響，對(duì)淺埋的中心排水管反應(yīng)不明顯，有時(shí)雖出現(xiàn)強(qiáng)反射點(diǎn)，但不能構(gòu)成反射弧。
2）當(dāng)使用的雷達(dá)頻率較低時(shí)，即其波長(zhǎng)相對(duì)于擬探測(cè)對(duì)象尺寸較大時(shí)，雷達(dá)灰度圖上是1個(gè)強(qiáng)反射點(diǎn)（白點(diǎn)）。如使用400MHz工作頻率探測(cè)隧道襯砌混凝土中直徑為20cm的空洞，這時(shí)雷達(dá)在空氣中的波長(zhǎng)為75cm，C20混凝土的相對(duì)介電常數(shù)按8計(jì)算，則混凝土中的波長(zhǎng)為26cm（大于空洞尺寸）。這時(shí)在普查式檢測(cè)方式下雷達(dá)圖像中空洞部位雖出現(xiàn)顯著的強(qiáng)反射點(diǎn)（帶），但不能構(gòu)成反射弧。
3）當(dāng)使用的雷達(dá)頻率較高時(shí)，即其在相應(yīng)介質(zhì)中的波長(zhǎng)顯著小于擬探測(cè)對(duì)象尺寸時(shí)，雷達(dá)灰度圖上出現(xiàn)典型的反射弧。如使用400MHz工作頻率探測(cè)隧道襯砌混凝土中直徑為60cm的空洞，這時(shí)雷達(dá)在空氣中的波長(zhǎng)為75cm，C20混凝土的相對(duì)介電常數(shù)按8計(jì)算，則波長(zhǎng)為26cm，顯著低于空洞直徑。這時(shí)在一般檢測(cè)方式下雷達(dá)圖像中空洞部位出現(xiàn)較典型的反射弧或強(qiáng)反射條帶。
六、結(jié)論
1）地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工、交竣工驗(yàn)收、病害診斷和處治中可發(fā)揮積極有效的作用。
2）地質(zhì)雷達(dá)能有條件地進(jìn)行襯砌與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)檢測(cè)，2次襯砌與初期支護(hù)檢測(cè)分別在各自對(duì)應(yīng)的施工階段進(jìn)行效果最佳。
3）雖然天線密貼在2次襯砌表面實(shí)施的檢測(cè)可分辨出初期支護(hù)中的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，但不可能是全部信息，如在配筋后的2次襯砌表面檢測(cè)初期支護(hù)中的鋼支撐時(shí)，由于受配筋的屏蔽影響，雷達(dá)回波圖中反應(yīng)不清楚或根本無法分辨。
4）初期支護(hù)未設(shè)置鋼支撐時(shí)，要結(jié)合外觀觀測(cè)和局部破檢提供噴射混凝土厚度和整體評(píng)價(jià)，否則誤差較大或根本不能單獨(dú)依靠雷達(dá)檢測(cè)提供數(shù)據(jù)。
5）對(duì)空洞或結(jié)構(gòu)層之間脫空的定性描述，建議對(duì)其平面范圍進(jìn)行縱橫向上的樁號(hào)或?qū)挾榷ㄎ?，提供?duì)應(yīng)位置的2次襯砌厚度實(shí)測(cè)值和變化范圍，脫空高度作為估值供參考用。
6）探地雷達(dá)較高分辨率時(shí)的探測(cè)深度較為有限，一般高頻段用于結(jié)構(gòu)檢測(cè)，相對(duì)低頻段用于仰拱探測(cè)、地質(zhì)探測(cè)或超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
