隧道二襯雷達(dá)檢測典型病害識(shí)別與分析
更新時(shí)間：2021-04-10 17:51
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本文歸納和分析了隧道二襯地質(zhì)雷達(dá)檢測常見缺陷圖像，并對(duì)其圖像特征和這些缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析說明，為檢測人員判別二次襯砌檢測中的缺陷提供參考借鑒。
【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá)基本原理、脫空、不密實(shí)、鋼筋缺失
1 概述
地質(zhì)雷達(dá)自上世紀(jì)70年代開始應(yīng)用至今將近30年了，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，在考古、建筑、鐵路、公路、水利、電力、采礦、航空各領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，解決場地勘查、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、超前預(yù)報(bào)、地質(zhì)構(gòu)造研究等問題。在工程地球物理領(lǐng)域有多種探測方法，包括反射地震、地震CT、高密度電法、地震面波和地質(zhì)雷達(dá)等，其中地質(zhì)雷達(dá)的分辨率最高，而且圖象直觀，使用方便，所以很受工程界信賴和歡迎。地質(zhì)雷達(dá)（ Ground Penetrating Radar，簡稱GPR） 作為一項(xiàng)先進(jìn)的檢測技術(shù)，采用便攜微機(jī)控制，工作周期短，快速、高效，具有無損、連續(xù)、快速和分辨率高的特點(diǎn)，在公路、工程地質(zhì)、水文調(diào)查、考古、鐵路等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在公路隧道和鐵路隧道的建設(shè)和后期運(yùn)營維護(hù)中，地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)給隧道質(zhì)量無損檢測工作帶來了重大的革新。
2 地質(zhì)雷達(dá)檢測原理
地質(zhì)雷達(dá)通過雷達(dá)天線對(duì)隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，具體工作原理是：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。
由反射原理圖可知，電磁脈沖波旅行時(shí)間： ，式中，Z為探測目標(biāo)體的深度，t為雷達(dá)記錄時(shí)間，X為發(fā)射、接收天線的距離， 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。
X在剖面探測中是固定的，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速 為已知時(shí)，通過觀察到的精確的t值（1s=109ns），由上式便求出反射體的深度Z。雷達(dá)圖像以脈沖反射波的波形形式記錄，波形的正負(fù)峰分別以黑白色表示，或?qū)ζ溆涗浧拭嬉曰译A或者彩色表示，這樣同相軸或灰階度、等色譜即可形象地表征出地下反射面分布。
3 地質(zhì)雷達(dá)目標(biāo)波相識(shí)別要點(diǎn)
為獲得雷達(dá)探測的結(jié)果，需要對(duì)雷達(dá)記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與判讀，判讀是理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合分析，需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。雷達(dá)記錄的判讀也叫雷達(dá)記錄的波相識(shí)別或波相分析，它是資料解釋的基礎(chǔ)。在此首先介紹波相分析的基本要點(diǎn)。
3.1 反射波的振幅與方向
從反射系數(shù)的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出兩點(diǎn)：
第一點(diǎn)反射振幅的大小，界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)差異越大，反射波越強(qiáng)。從反射振幅上可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)、屬；第二點(diǎn)反射波的極性，波從介電常數(shù)小進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時(shí)，即從高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)，從光疏進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，即反射波振幅反向。反之，從低速進(jìn)入高速介質(zhì)，反射波振幅與入射波同向。這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)與屬性的又一條依據(jù)；如從空氣中進(jìn)入土層、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時(shí)，反射波不反向，結(jié)果脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后邊充滿水，波從該界面反射也發(fā)生反向，與表面反射波同向，而且反射振幅較大?；炷林械匿摻?，波速近乎為零，反射自然反向，而且反射振幅特別強(qiáng)。因而，反射波的振幅和方向特征是雷達(dá)波判別最重要依據(jù)。
3.2 反射波的頻譜特性
不同介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的依據(jù)。如混凝土與巖層相比，比較均質(zhì)，沒有巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而圍巖中內(nèi)反射波明顯，特別是高頻波豐富。而混凝土內(nèi)部反射波較少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強(qiáng)風(fēng)化層中礦物按深度分化布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可清楚地將各層分開。如圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征，易于識(shí)別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎，內(nèi)部反射和閃射多，在相應(yīng)走時(shí)位置表現(xiàn)為高頻密紋反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用，從更遠(yuǎn)的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)酰盘?hào)表現(xiàn)為平靜區(qū)。
3.3 反射波同向軸形態(tài)特征
雷達(dá)記錄資料中，同一連續(xù)界面的反射信號(hào)形成同相軸，依據(jù)同向軸的時(shí)間、形態(tài)、強(qiáng)弱、方向反正等進(jìn)行解釋判斷是地質(zhì)解釋最重要的基礎(chǔ)。同向軸的形態(tài)與埋藏的物界面的形態(tài)并非完全一致，特別是邊緣的反射效應(yīng)，使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對(duì)于孤立的埋設(shè)物其反射的同向軸為向下開口的拋物線，有限平板界面反射的同向軸中部為平板，兩端為半支下開口拋物線。
4 隧道二襯檢測常見脫空病害分析
在公路或鐵路隧道二襯無損質(zhì)量檢測中，常見的病害主要有脫空、不密實(shí)、二襯鋼筋網(wǎng)缺失、單層鋼筋網(wǎng)。
4.1 脫空
脫空一般指隧道二次襯砌與初襯之間的空隙，常見的脫空主要有二次襯砌背后的脫空、二襯混凝土兩板接縫處的三角脫空。二襯背后脫空此類缺陷產(chǎn)生的主要原因是二襯混凝土硬化后收縮形成的收縮縫或者由于澆筑混凝土?xí)r模板的變形、臺(tái)架下沉而形成；三角脫空多發(fā)生在拱頂?shù)膬砂寤炷两涌p位置，主要是由于施工過程中的振搗不到位及泵送機(jī)的壓力原因。在隧道建設(shè)中是最常見的問題之一，脫空的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征是襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面的信號(hào)，兩族信號(hào)時(shí)程差較大，出現(xiàn)多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發(fā)生相位錯(cuò)位，且其能量明顯增強(qiáng)[1]。 4.2 不密實(shí)
不密實(shí)病害主要出現(xiàn)在二襯混凝土的澆筑過程中，由于振搗不到位，在重力作用下，混凝土發(fā)生離析，地質(zhì)雷達(dá)的圖像特征主要表現(xiàn)為襯砌界面內(nèi)的較強(qiáng)的反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，不連續(xù)，較分散[2]。如下圖5所示為二襯混凝內(nèi)部不密實(shí)圖形特征。
4.3 二襯鋼筋網(wǎng)缺失
二襯鋼筋網(wǎng)缺失病害主要是指在設(shè)計(jì)要求二襯使用鋼筋混凝土襯砌時(shí)部分施工單位偷工減料，在施工過程中在部分段落不放鋼筋網(wǎng)或者少放鋼筋網(wǎng)的情況。在地質(zhì)雷達(dá)圖像上鋼筋信號(hào)表現(xiàn)為尖銳的拋物線形態(tài)，信號(hào)能量強(qiáng)，可以直觀的統(tǒng)計(jì)出鋼筋數(shù)量[3]。對(duì)于二襯段落中不放和少放鋼筋網(wǎng)的情況，在圖像上比較直觀。如下圖6、圖7所示為二襯鋼筋網(wǎng)缺失情況特征。
圖6 二襯混凝土鋼筋網(wǎng)缺失 圖7 二襯混凝土只布置單層鋼筋網(wǎng)
4.4 二襯鋼筋網(wǎng)間距超標(biāo)
二襯鋼筋網(wǎng)間距超標(biāo)在二襯無損檢測過程中也是常見病害，主要由于施工單位未按照設(shè)計(jì)要求的間距進(jìn)行鋼筋布置，通過增大鋼筋間距達(dá)到節(jié)省鋼筋的目的，在地質(zhì)雷達(dá)圖像是表現(xiàn)為鋼筋信號(hào)間間距超出設(shè)計(jì)資料要求。如下圖8所示為二襯鋼筋間距超標(biāo)的情況特征。
圖8 二襯混凝土鋼筋間距超標(biāo)
5 結(jié)語
本文列出的二襯地質(zhì)雷達(dá)檢測病害為隧道檢測中的幾種較常見病害，對(duì)典型的病害圖像特征加以分析和探討，不能代表所有的雷達(dá)病害圖像類型。在地質(zhì)雷達(dá)檢測過程中，隧道的檢測條件是十分復(fù)雜的，除了電器設(shè)備的干擾外，隧道墻壁、路基鐵軌、檢測臺(tái)車等都會(huì)產(chǎn)生反射干擾信號(hào)，因此對(duì)圖像的分析要綜合各方面情況，才能對(duì)隧道襯砌內(nèi)部情況作出精準(zhǔn)的判斷。
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