地质雷达在湘桂铁路隧道衬砌检测中的应用＊

王金亮

(中铁十一局集团一公司,湖北襄樊 432013)

地质雷达在湘桂铁路隧道衬砌检测中的应用＊

王金亮

(中铁十一局集团一公司,湖北襄樊 432013)

地质雷达作为一种快速高效、高精度的无损检测技术,在隧道工程中的应用日益广泛。本文通过对湘桂铁路隧道衬砌质量地质雷达检测工作实例,介绍地质雷达技术在隧道工程质量控制中的应用。

地质雷达;隧道工程;无损检测;注浆加固

一、概述

地质雷达作为近十年来发展起来的地球物理高技术探测方法,以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点,备受广大工程技术人员的青睐,其实际应用领域较广,包括工程地质勘探、岩溶探查、地质构造填图、水文地质调查、地基和道路路基空洞与裂缝调查、城市管线探查、混凝土裂缝探查、隧道衬砌检测、堤防隐患探查、古墓遗迹探查等众多领域。它作为一种快速高效、高精度的无损检测技术,在铁道工程中的应用也日益广泛,主要有铁道工程地质调查、岩溶地区溶蚀带和溶洞探查、片石挡土墙后背空隙检测、铁路隧洞地质超前预报、衬砌及围岩检测等。本文结合湘桂线中渡隧道的衬砌质量无损检测工作实例,介绍地质雷达技术在隧道工程质量控制中的应用。

二、检测方法

(一)本次检测采用地质雷达法。

地质雷达法(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是应用高频脉冲电磁波来探测隐蔽介质的分布和特征。地质雷达发射天线向隧道壁发射高频宽带短脉冲电磁波,遇到相对介电常数差异较大的介质(如空洞、衬砌界面等)就会产生反射波,接收天线接收反射回来的电磁波并记录其反射时间。根据电磁波在介质中的电磁波速(v)和双程旅行时间(t)可以计算衬砌厚度。当天线沿隧道壁移动时就能得到衬砌内部电磁波走时图像(图1)。电磁波由空气进入二衬的混凝土层,会出现强反射;同样,当电磁波由二衬传播至初衬继而由初衬传播到岩层时,如果二衬和初衬接合不良,或存在空隙,亦会导致雷达剖面相位和幅度发生变化,由此可确定衬砌厚度和发现施工缺陷。电磁波遇到以传导电流为主的介质,比如衬砌中存在的钢筋,会出现强反射,在雷达剖面上呈现明显异常,以此可确定钢筋分布情况。

(二)介质参数标定

选取隧道口衬砌做混凝土电磁波速现场标定,本隧道使用电磁波速(见表1)。

图1 地质雷达工作与分析图

表1 介质参数标定表

(三)采用的仪器和设备

本次检测采用瑞典产RAMAC/GPR-CUⅡ地质雷达仪。

所用天线为地面耦合式一体化天线。雷达检测时,发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴;沿测线滑动,采用时间触发模式,触发间隔0.02s,每隔10m键盘触发标记一次。采样中心频率15015MHz,自动叠加模式。测量时窗38ns。

三、检测工作布置

按照上述参数对中渡隧道进口进行了现场检测,在隧道中共布置了5条测线,其中拱顶一条,左右边墙,左右拱腰各一条(图2),左右边参照隧道小里程至大里程走向,其中左右边墙测线位置离两边水沟顶1.5m高。实际布置检测了5条测线。

图2 测线横断面分布图

四、资料处理和解译

(一)资料处理流程

资料处理流程见图3。

图3 资料处理流程

(二)衬砌厚度计算:

式中:d为衬砌厚度(m);εγ为相对介电常数(无量纲);t为双程旅行时间(ns);v为电磁波速(m/s)。

(三)衬砌背后回填密实度判定方法

(1)密实:信号幅度较弱,甚至没有界面反射信号;(2)不密实:衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形,且不连续、较分散;(3)空洞:衬砌界面反射信号强,三振相明显,在其下部仍有强反射界面信号,两组信号时程差较大。

(四)衬砌内部钢架、钢筋位置分布判定方法

(1)钢架:分散的月牙形强反射信号;(2)钢筋:连续的小双曲线形强反射信号。

五、结论

1、检测里程内大部分拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙衬砌厚度基本达到设计要求。

2、检测里程内部分拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙衬砌背后回填情况基本符合要求,局部位置存在缺陷:拱顶二衬不密实;拱腰二衬不密实;二衬脱空;二衬背后空洞;

3、地质雷达检测图像显示有钢筋、钢拱架分布,基本符合设计要求。

[1]李大心.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

[2]DanielsD J,et al.Introduction to subsurface radar[J].IEE Proceeding,1988,135(4).

[3]Thomas J Fenner.Application of subsurface radar(SIR)in limestone [R].GSSI Inc.,TechnicalLiterature,1985.

[4]Davis J L,AnnanA P.Ground penetrating radar for high resolutionmapping of soil and rock stratigraphy[M].Geophysical Prospecting,1987.

2010-04-20

王金亮(1974-),男,山东诸城人,助理工程师。