地质雷达在隧道施工质量无损检测中的运用

2010-08-21张建华

山西建筑 2010年5期

张建华

0 引言

高速公路建设对国民经济发展具有强力的推动作用,高速公路的建设由于选线等原因,不可避免采取隧道工程,而隧道工程属于隐蔽性工程。在隧道施工中,难免会有利欲熏心的不法施工人员对隧道支护参数进行不合理降低,如扩大工字钢间距,使用石棉瓦及随意垫设石块,二衬厚度达不到规范要求等。隧道施工势必需要有一种不破坏结构的检测措施把上述不利情况排除在隧道运营之前[1]。

1 工程概况

千秋关隧道位于宁国市仙霞镇云梯乡以南,皖浙两省交界的千秋关处,为分离式单拱隧道。隧址区属断褶侵蚀剥蚀中低山区,海拔252.0 m～430.0 m,相对高差178 m,山脊走向南北,隧道轴线与山脊走向近直交,轴线通过最高海拔430.0 m,隧址区地形坡度较陡,安徽段隧道出口地形坡角 19°～38°,隧址区植被发育,雨水易渗入残坡积土层中,地下水按赋存形式可分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水[2]。

可见隧道支护结构施工质量若得不到很好的控制,容易使支护结构受力不合理而发生开裂,以及最后一道防水措施失去作用。

2 地质雷达技术

2.1 地质雷达系统简介

地质雷达系统组成如图1所示,地质雷达组成和工作原理及其探测方法如下:

1)控制单元:控制单元是整个雷达系统的管理器,计算机(32位处理器)对如何测量给出详细的指令。系统由控制单元控制着发射机和接收机,同时跟踪当前的位置和时间。

2)发射机:发射机根据控制单元的指令,产生相应频率的电信号并由发射天线将一定频率的电信号转换为电磁波信号向地下发射,其中电磁信号主要能量集中于被研究的介质方向传播。

3)接收机:接收机把接收天线接收到的电磁波信号转换成电信号并以数字信息方式进行存贮。

4)电源、通讯电缆、触发盒、测量轮等辅助元件。

2.2 地质雷达测试原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。发射天线将高频(106Hz～109Hz或更高)的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下,被地下介质(或埋藏物)反射,然后由接收天线接收。

根据电磁波理论,当雷达脉冲在地下传播过程中,遇到不同电性介质交界面时,由于上下介质的电磁性质不同而产生反射和折射。由公式雷达根据测得的雷达波走时,自动求出反射物的深度和范围[3]。

2.3 资料处理方法

使用相应雷达资料处理软件REFLECW进行资料处理。对数据文件进行预处理、增益调整、滤波等方法的处理,最终得到各测线的成果图,以此对隧道内部混凝土质量进行分析评价工作。

3 工程实例分析

3.1 测线布置

千秋关隧道初衬的混凝土厚度、背后缺陷、钢支撑间距及二次衬砌厚度检测,在该隧道部位的左墙腰、左拱脚、拱顶、右拱脚、右墙腰共布置五条纵向的雷达测线。对每条测线,按3 m间距取点(相当于直接凿开这些点),进行质量合格与否的评价,且保证每条测线的评价点不少于20点。

3.2 资料处理与解释

图2为整个数据处理及资料解释流程图。原始数据(时间剖面)经过数字处理后可以得到时—深剖面图,对时—深剖面图加以分析即可获得衬砌厚度及浇筑情况等。

地质雷达数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰,以最大可能的分辨率在图像剖面上显示反射波,提取反射波的各种有用参数,以帮助解释检测成果[4]。

地质雷达资料反映的是地下介质的电性分布,将其转化为地质体分布,必须把地质、施工、地质雷达等方面的资料有机结合起来,以此获得检测对象的整体图像。

衬砌界线判释的依据:混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩(或其间空区中的空气)有明显的介电常数差,因此,在时深剖面图上,衬砌底面和岩石之间有明显的界线。喷射混凝土与模筑混凝土衬砌介电常数有差别,但不是很大,若它们之间接触很好或粘结,则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。

3.3 初期混凝土检测分析

经过雷达资料处理软件REFLEC对初期支护采集的数据进行分析,得到如图3所示的波形。

经分析得到千秋关隧道K92+910～K92+950拱顶位置初期支护喷射混凝土厚度、工字钢数量以及初期支护背后空洞情况。图中长曲线为围岩与喷射混凝土分界面,椭圆位置表示存在空洞情况,小竖直线为工字钢位置。由分析得到后的波形图可以看出,经过地质雷达对隧道初期支护进行检测,可以清楚分辨出初期支护的工字钢数量、初期支护喷射混凝土厚度以及空洞存在位置。