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地质雷达在隧道衬砌质量检测中值得注意的一些问题

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 171次


(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司,四川成都)

 

摘要:采用地质雷达检测隧道衬砌质量是一种经济、无损、高效直观的物探检测方法,但考虑到检测对象的复杂性、检测内容的多样性及地质雷达方法本身和现场测试条件的局限性等因素,在运用地质雷达进行隧道衬砌质量检测的过程中有一些值得我们注意和需要深入探讨的问题,本文介绍了地质雷达运用于隧道质量检测的准备过程中、测试过程中以及数据处理解释过程中应注意的问题,总结了一些实用经验,并提出了在某些特殊条件下,地质雷达在隧道衬砌检测中存在的不足。

关键词: 地质雷达、隧道衬砌质量、应注意的问题、局限性

Some Problems to Be Noticed in the Detection of Tunnel lining by Ground Penetrating Radar

Yang wei

(SiChuan Hydropower Engineering Investigation Co,Ltd,SiChuan ChengDu)

Abstract: Detection of tunnel lining by ground penetrating radar is a kind of economical, efficient, non-destructive direct geophysical detection method, but the limitations of considering the diversity and complexity of geological radar method, the test object itself and the field test conditions, the use of the geology radar process quality inspection of tunnel lining in some we need to pay attention to and discuss the issue, this paper introduces the preparation process should pay attention to the geological radar in tunnel quality detection, testing process and data processing and interpretation process, summarizes some practical experience, and put forward in some special conditions, shortage of geological radar in detection of tunnel lining.

Keywords: Ground penetrating radar、 Tunnel lining qualityAttentionLimitations

1前言

隧道衬砌是隧道施工的重要组成部分,其质量直接影响着整个工程的质量和使用,因此隧道衬砌质量检测越来越受到大家的关注和重视。隧道衬砌质量检测主要包括:衬砌混凝土厚度检测、混凝土衬砌中钢筋数量及排列分布情况检测、衬砌混凝土密实度检测以及混凝土衬砌与围岩之间接触情况检测等。然而传统的隧道工程质量检测方法(如局部钻孔取芯、开挖取样等)效率低、代表性差,而且会对隧道衬砌结构造成一定的破坏,已经不能满足当下隧道衬砌质量检测的发展要求。地质雷达作为一种经济、无损、高效直观的物探检测方法,在各种隧道衬砌质量检测中得到了广泛而有效的应用,受到了工程界的普遍信赖和认可。

采用地质雷达检测隧道衬砌质量是一个不断学习总结和经验积累的过程。考虑到检测对象的复杂性、检测内容的多样性以及地质雷达方法本身和现场测试条件的局限性等因素,在运用地质雷达进行隧道衬砌质量检测的过程中有许多值得我们注意和深入探讨的问题,只有客观、充分的认识到这些问题,才能最大限度的发挥地质雷达在隧道衬砌检测中的作用,提高检测的准确性。本文采用美国的SIR系列地质雷达仪器为例进行阐述。

2准备过程中应注意的问题

2.1天线的选取

针对隧道衬砌检测的检测对象及检测目的具体情况,根据天线的分辨率、穿透深度以及现场可操作性等因素来综合选取合适的天线类型。隧道衬砌是一个由多种介质构成的复杂目标体,一般包含混凝土、钢筋、空气、水、围岩、止水板等,而具体到隧道的每段衬砌,这些介质的分布还存在较大的差异,比如:混凝土标号及骨料的差异、钢筋疏密程度及层数的差异、衬砌含水量的差异、脱空缺陷大小的差异等等,这些因数都将导致雷达波穿越其中时存在较大的波速差异,进而影响到实际测试时雷达波的分辨率和穿透深度。因此根据检测目的及衬砌实际情况来预计选取何种天线时,应在分辨率和穿透深度等方面留有适当的余量。通常情况下隧道衬砌质量检测时天线的选取可参考表1。

GSSI系列雷达天线的参数与应用

1

天线类型

探测深度

分辨率

检测对象

100MHz天线

4~25m

25cm

坍塌高度较大的塌方段、回填段

400MHz天线

1~4m

6.25cm

衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土与围岩之间的接触情况、钢拱架、初查衬砌混凝土中的钢筋排列与分布情况

900MHz天线

0.5~1.5m

2.5cm

衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土与围岩之间的接触情况、详查衬砌混凝土中的钢筋排列与分布情况

1500MHz天线

0.2~0.5m

2cm

详查衬砌混凝土中的钢筋排列与分布情况

2.2天线支撑方式的选取

因各类隧道的功能不同,其大小各有差异,针对不同高度的隧道,我们需采用不同的天线支撑方式,以便天线能紧贴衬砌检测面。天线支撑方式的选取应遵循以下原则:

(1)支撑设施应具有足够的高度,能保证天线达到检测面;

(2)支撑设施应具有较好的稳定性,尽量减少晃动,保证天线紧贴检测面;

(3)支撑设施应能保证在其上面的人员、设备安全并便于移动。

通过对大量隧道检测的实践总结,对于不同高度的隧道一般会采取不同的支撑方式,总结如下:

(1)对于4m以下洞高的隧道可以采用竹竿、木棍等非金属长杆绑在天线上,然后托举天线紧贴检测面,如果移动不便,还可以在天线上绑绳索,然后在天线前进方向上拉拽天线辅助其向前移动(见图1a);

(2)对于洞高在4~8m左右的隧道可以采用施工台车、装载机等移动设施托举操作人员手持天线紧贴检测面移动(见图1b、图1c);

(3)对于洞高大于8m的隧道可以采用在吊车的吊臂上焊接安全框,操作人员站在安全框里手持天线紧贴检测面移动(见图1d)。

   

a                                        b

  

c                                      d

1常见的天线托举支撑方法

 

 

3测试过程中应注意的问题

3.1天线的移动

外业采集资料质量的好坏与雷达天线贴壁情况有很大的关系,对于地面耦合天线来说,测试时需要天线与检测面紧密相贴,保证良好的耦合条件,才能让雷达波顺利的入射进衬砌。当天线与检测面之间接触不平整时,天线与检测面之间会形成振铃效应,在剖面中产生自上而下的多次反射波,且越往深部多次波的能量越强,这将对有效波的识别产生很大的干扰,见图2。

检测面

  线

天线与检测面之间接触不平整时形成的振铃效应

矩形标注: 天线与检测面之间接触不平整时形成的振铃效应

产生振铃效应的天线示意图及对应的雷达图像

    另外,天线的移动速度与检测目的有关系,隧道衬砌检测时天线的移动速度一般不超过5km/h,但对钢筋的排列和分布情况进行检测时,天线的移动速度应该尽量慢一些,这样可以在雷达图像上增大钢筋反射点的水平间距,有利于判断钢筋的数量和排列情况;对于有明显异常的地方也可以放慢速度进行复测,这样有利于提高横向分辨率。

3.2天线的方向性

GSSI系列天线具有明显的方向性,隧道检测时天线与目标体的方向关系会直接影响我们对目标体的有效分辨。经试验可知,GSSI系列天线中900MHz1500MHz天线的长轴方向以及400MHz天线上箭头指示的方向为天线的发射接收方向,在对衬砌中钢筋或已知走向的目标体进行探测时,在天线的移动方向上应保持天线的发射接收方向与目标体的长轴方向相垂直或大角度相交,才能保证最佳的探测效果。

3为采用1500MHz天线详查衬砌混凝土中的钢筋排列与分布情况,图中可见在天线的移动方向上当天线的长轴方向(也就是天线的发射接收方向)与纵向目标钢筋相垂直时,目标钢筋在雷达图像上反映明显,横向钢筋对探测效果的影响很小,见图3a);反之,在天线的移动方向上当天线的长轴方向(也就是天线的发射接收方向)与纵向目标钢筋相平行时,在雷达图像上几乎无法分辨出目标钢筋,且受到横向钢筋的影响,大部分入射雷达波均被横向钢筋反射回来,形成较强的屏蔽作用,见图3b);而且经多次试验发现,频率越高的天线受横向钢筋的影响越强,更应该注意天线与目标体的方向关系。

纵向目标钢筋的排列与分布情况反应明显,横向钢筋对探测效果影响小

矩形标注: 纵向目标钢筋的排列与分布情况反应明显,横向钢筋对探测效果影响小

横向钢筋反射较强,无法分辨纵向目标钢筋的排列与分布情况

矩形标注: 横向钢筋反射较强,无法分辨纵向目标钢筋的排列与分布情况

横向钢筋

天线移动方向

纵向目标钢筋

  线

      

横向钢筋

天线移动方向

纵向目标钢筋

线

 

 

 

 

 

 


(a)                                (b)

3钢筋与天线的方向关系对探测目标钢筋的影响示意图

3.3增益调整

就整个隧道而言,不同洞段的衬砌对雷达波能量的吸收程度存在差异,这就需要我们在隧道检测过程中根据衬砌对雷达波能量吸收的强弱程度,及时调整增益大小。地质雷达仪器在单次数据采集过程中增益是保持不变的,不能根据能量吸收的强弱实时调整增益大小,而过弱或过强的增益容易造成目标体的漏判或错判,这就需要操作人员在数据采集过程中时刻观察雷达图像的变化,如发现雷达波能量出现大范围连续性的突变,就应该暂停采集,重新调整增益,以保证整个测试过程中都有相对合适的增益强度。每次增益调整时应在检测洞段选择多个点来设置增益,相互对比,以便获得最佳的增益值,增益值的大小以保证雷达反射波的波幅大部分处于1/3~2/3最大波幅值为准。

4数据处理解释过程中应注意的问题

4.1数据处理

数据处理的主要目的是整理、分析外业采集数据,并通过各种信号分析处理方法来提高反射雷达波的性噪比,以提高数据解释的准确性。地质雷达数据处理软件可提供多种处理数据的方法,根据这些方法的特性和作用,需要遵循一定的处理流程,详见图4

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

距离归一化

背景去噪

增益调整

频谱分析

一维滤波

反褶积

偏移归位、希尔伯特变换

预处理

数据处理

交互式解释

成果


4数据处理分析流程图

在数据处理流程中有些需要我们注意的问题,说明如下:

1)一维滤波分为IIR滤波和FIR滤波,在隧道衬砌检测中我们一般采用IIR滤波

来进行水平平滑和垂直滤波处理;而FIR滤波常用于对空气耦合天线高速采集的数据(如路面检测)进行垂直滤波;另外,FIR滤波可以做背景去噪处理。

2IIR滤波中的水平平滑处理会在一定程度上降低横向分辨率(见图5a),而FIR

滤波中的背景去噪处理可以去除连续的平直强反射达到提高横向分辨率的效果(见图5b)。因此,在对隧道衬砌中的钢筋排列与分布情况进行检测时,在背景去噪处理后和水平平滑处理前这个阶段更有利于雷达图像上钢筋的分辨。另外,恰当的反褶积处理也有利于提高钢筋间的横向分辨率(见图5c)。

3)反褶积和偏移处理为垂向和横向反滤波,而这种对滤波的反处理有增加噪音的风险,所以通常在做了反褶积和偏移处理之后应再做一次适当的滤波。

4)滤波、反褶积以及偏移处理手段虽然彼此独立,但又互相密切关联,譬如垂向和横向分辨率,一个改变了,另一个也会随之改变,因此在做数据处理时应注意彼此之间的影响。

水平平滑处理

  

处理前雷达图像                    处理后雷达图像

a

背景去噪处理

  

处理前雷达图像                    处理后雷达图像

b

  

反褶积处理

处理前雷达图像                    处理后雷达图像

c

三种处理方法对钢筋横向分辨率产生影响的雷达对比图像

4.2数据解释

隧道衬砌一般由混凝土、钢筋、围岩、水、各类空腔和接触面里的空气等介质构成,

而这些介质之间的电性差异较大,这就为地质雷达检测提供了很好的地球物理条件。通过衬砌混凝土与围岩交界面的反射、钢筋的反射、异常体的顶底反射等雷达特征图像,就可以确定衬砌混凝土厚度、混凝土衬砌中钢筋数量及排列分布情况、衬砌混凝土密实度以及混凝土衬砌与围岩之间接触情况等情况。然而,受地质雷达方法本身局限性和衬砌中诸多不利条件的影响,在某些特殊条件下,地质雷达在隧道衬砌检测中也存在一些不足,在资料解释时我们应有充分的认识,主要有以下方面:

(1)衬砌厚度的判断:衬砌厚度主要根据混凝土与围岩交界面的位置来判断,交界面两侧介质的电性差异越明显越有利于确定其位置。因此,当衬砌混凝土与围岩紧密结合且介电常数接近时,两者之间电性差异小,雷达波在穿越两者交界面时反射很弱(见图6),难以准确找到交界面的位置,导致对衬砌厚度的判断出现较大的偏差。另外,当衬砌混凝土中存在多层密集钢筋时,由于钢筋的屏蔽作用,雷达波不易穿透钢筋层达到混凝土与围岩的交界面,也会导致对衬砌厚度的判断出现较大的偏差。这时就需要根据前后段衬砌的厚度情况及设计施工资料等来综合判断。

图像左侧曲线标示位置混凝土与围岩交界面明显,衬砌厚度可准确判断;而右侧由于混凝土与围岩挤压紧密,电性差异小,交界面模糊,不能确定混凝土厚度。

不同条件下衬砌厚度判断难易程度对比雷达图像

(2)钢筋的判断:低阻的钢筋对雷达波的屏蔽作用较明显,当表层钢筋较密集或者二层钢筋跟表层钢筋相距较近且未错开布置时,电磁波大部分会被表层钢筋屏蔽,很难到达地二层钢筋,导致二层钢筋很难被探测到,钢筋检测只能对表层钢筋进行判断(见图7)。

此图为双层钢筋雷达检测图像,图中上方实线标示的表层钢筋反应明显,但受表层钢筋屏蔽作用影响,图中下方虚线标示的二层钢筋位置却未见钢筋的明显反应。

表层钢筋与二层钢筋不同探测效果的对比雷达图像

(3)脱空高度的判断:衬砌混凝土与围岩之间的脱空高度,需根据脱空空腔的顶底反射时差和空腔内雷达波波速来综合确定,只有顶底反射能明显分辨,并已知空腔内介质的雷达波波速,才能准确计算脱空高度。而实际检测中,脱空空腔的顶底反射通常叠加在一起,难以分辨,而且空腔中介质的相对介电常数无有效手段确定,可在1~81之间变化,不能确定其波速,因此很难准确计算脱空高度(见图8),这种情况下只能对衬砌混凝土与围岩之间的脱空情况进行定性的解释。

图中脱空位置的反射雷达波,很难分辨出顶底反射

矩形标注: 图中脱空位置的反射雷达波,很难分辨出顶底反射

脱空现象的雷达图像

5结语

采用地质雷达检测隧道衬砌质量是一种可行的方法,在各类工程中得到了广泛的应用。地质雷达作为一种经济、无损、高效直观的物探检测方法,既具备其特有的优势也存在其自身的局限性。通过大量的工程实践,本文对天线类型及支撑方式的选择、天线移动、天线的方向性、增益调整、以及数据处理与解释等方面应注意的问题进行了详细的介绍,总结了一些实用的经验,并且对方法本身的局限性进行了一些初步的探讨。在隧道衬砌质量检测过程中,只有充分了解应该注意的问题,并客观认识到方法本身的局限性,才能扬长避短最大限度的发挥其作用。

 

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