浅谈隧道衬砌雷达检测技术

2015-03-23张晋

黑龙江交通科技 2015年5期

张晋

(贵州省交通科学研究院股份有限公司)

1 隧道检测的原理

隧道检测主要包括隧道施工质量、围岩病害检测。其中以隧道施工质量检测中衬砌检测为例，一般使用地质雷达工程物探检测技术，其优点是精度高、效率高、损耗小等。隧道检测中主要包括对衬砌厚度、衬砌背后空洞、松散和密实等回填情况、衬砌中裂隙分布情况、衬砌背后含水分布情况、衬砌混凝土中钢筋及钢拱架的分布等检测。隧道衬砌具有永久性结构特点，因此对其检测工作非常重要。其检测要求也非常严格，检测形式以开挖围岩、初期支护、防排水层以及二次衬砌为主。在隧道衬砌检测时，工作人员将地质雷达天线靠近隧道衬砌表面，利用地下介质不同的电性，通过发射和接收地下的电磁波，并且将其处理分析。

2 隧道雷达检测技术原理

2.1 隧道检测天线的频率选择

隧道雷达检测天线频率的选择与地下介质成分和需要测试的测深有关，在开展雷达探测前要判断地段是否因为接收电磁差异出现波阻抗介面。地下介质组成不同，其内部反射波的高低频率成分的分布也不同，通过反射波频率特点来识别介质层分布情况。一般来说，介质质地越均匀，低频成分越多，而介质质地越不均匀，高频成分越多。所以，在选择天线频率时要对地质均匀性质进行充分的分析。例如:衬砌层质地均匀度强于围岩，结构相对简单，所以其反射波相对简单，缺少高频成分，在缺陷处反射较为异常。

2.2 隧道检测线的设置

隧道检测线的设置主要是参数的设置，主要包括天线的中心频率、时间窗口、采样率、介电常数等。这些参数在设置前需要明确勘测的主要目的，根据施工地点的自然环境、地质条件及周围干扰条件等制定勘测方案。勘测方案的设置需要综合考虑各方面因素，对工程资料进行详细了解。隧道检测线的设置就按照勘测方案进行，在探测过程中如果出现意外情况，可对参数进行相应的调整。

2.3 用隧道雷达计算衬砌厚度

衬砌厚度的计算主要依据衬砌介面的反射波来确定，衬砌表面的反射波相是连续的、正相的，天线到衬砌表面的距离不小于1.4 ns，不大于1.8 ns，容易被雷达系统追踪。复合式衬砌厚度的计算会相对复杂，雷达系统需要追踪到二次衬砌与喷射混凝土之间的界面，由于反射波能量与二次衬砌和喷射混凝土的物理性质差异有关，所以其厚度计算要考虑其物理差异性对其反射波能力的影响。

3 隧道衬砌雷达检测技术的前景应用

3.1 在道路工程中常见的质量缺陷

道路工程的质量缺陷指隧道结构系统的施工质量与原来设计不一致并且影响隧道运营安全及耐久性。常见的质量缺陷有隧道衬砌厚度不足、混凝土不密实和衬砌内存在空洞、衬砌结构与围岩脱空、混凝土蜂窝或严重离析等。在施工时由于挖掘程度控制不好造成的超挖现象，在回填时没有进行密实处理，致使在工程建设期间出现围岩坠落在衬砌上或因其受力不均一产生裂痕等现象。当外界温度变化以及地下水压力增加时会导致隧道衬砌出现漏水、裂损、腐蚀等情况的发生，影响隧道的使用寿命和整体工程的安全。除此之外，还有衬砌厚度不足等质量缺陷问题，主要分为整体厚度不足和局部厚度不足。衬砌是隧道的重要承载结构，衬砌的整体厚度不足会使隧道的承载力下降。局部的衬砌厚度不足，使得薄弱截面处截面惯性矩、刚度变化，导致结构整体受力的变化，影响隧道的整体稳定性及功能的发挥。雷达检测技术的应用可减少甚至避免上述情况的发生，该技术的高精准性、无损伤性、高效率性是其应用的重点。

3.2 衬砌雷达技术测量的误差

衬砌雷达技术测量的误差主要来自三方面，分别是计算误差、空洞或回填松散区深度范围误差、里程定位误差。首先，衬砌厚度计算误差。主要来源于电磁波速度的变化及界面判识精准度等造成误差。在计算衬砌混凝土的厚度时取固定的电磁波速度，当介电常数发生变化时导致电磁波速变化，引起计算误差。界面程度、干扰波及人为干扰导致界面判识的精准度受到影响，引起计算误差。其次，空洞或回填松散区深度范围误差，天线本身的直接泄漏耦合干扰、天线及天线对发射源的反射振铃干扰等构成一个复杂的回波信号，多种回波信号构成一个时域波形，并且受到衬砌表面特性的影响。当前的技术发展水平不能将衬砌界面、空洞界面的回波进行分类，而且当空洞或松散区中含有空气及水时会产生较大电性差异，界面的反射波、干扰波等受到影响。在雷达测线剖面上，反射波起跳点识别不精确使时间拾取上存在误差，造成测量误差。最后，里程定位误差。主要源于里程标记的精度和检测车速度的不均匀。

4 隧道检测结果的确定

(1)在界面划分方面，衬砌的物质结构不同其介电常数也不同，理论上在雷达图像上会出现明显的界限，呈现出水平的图像。但在实际施工中，由于开凿面常常凹凸不平，图像会出现非直线状，影响判断。衬砌回填的密实程度会影响反射信号的传播，增加界面的识别难度;(2)雷达处理软件可将混凝土支护及衬砌厚度进行判断，当其界面信号受到干扰时，通过调节电磁波对界面情况进行判断。除此之外，当混凝土衬砌与喷射混凝土之间设有防水布层时，存在介电常数的波动，可通过识别防水布层计算外表厚度，进而计算出二次衬砌的厚度;(3)确定工程质量缺陷。以衬砌空隙或空洞填补不密实为例，一般的缺陷处含有空气或水，由于混凝土与其介电常数的差异导致反射信号出现变化，根据反射信号形态能够判断出空隙的大小，根据水平距离可确定出缺陷的范围。