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地质雷达在运营隧道无损检测中的应用研究

2022-05-30闫圆圆

科学技术创新 2022年17期
关键词:电磁波介质雷达

王 文 闫圆圆

(北京探创资源科技有限公司,北京 100067)

隧道的健康状态影响着铁路的运营安全和寿命,为确保隧道的运营安全,设备管理单位必须要对运营期隧道的状态有十分清楚的了解和掌握。

针对隧道的检测,国内外众多相关工作者做了大量的科学研究和现场工作;杜胜[1]等通过大量工程实践,研究不同天线频率的地质雷达在铁路隧道仰拱密实性检测中的应用效果;杨志武[2]利用地质雷达对隧道典型病害进行现场探测并取得良好应用效果,表明地质雷达是无损检测隧道脱空、不密实等典型病害的有效手段;肖秀明[3]等通过地质雷达在隧道和地铁线中的检测应用实例,阐述了地质雷达无损、高效和高分辨率的优点;马为功[4]等结合地质雷达检测结果,进一步细化隧道衬砌缺陷的类型,为更准确的设计缺陷处理措施提供可靠参考依据;杨小波[5]系统论述了地质雷达在隧道无损检测中的应用;程文涛[6]等详细对比分析了衬砌脱空、衬砌欠厚、仰拱回填异常等典型隧道缺陷整治前后的雷达波形,便于后期施工及竣工验收;薛鹏[7]结合某工程实例,探讨地质雷达及超声回弹综合法在隧道工程中的具体应用;王石磊[8]等分析了国内外隧道检测技术的研究及应用现状,展望了未来隧道检测技术的发展趋势和研究方向,有助于更好建立适应于中国的运营隧道的检测技术体系。

对于运营隧道,常会出现空洞、衬砌裂缝等质量缺陷,而这些缺陷通常很难检测到。运用地质雷达探测方法,可准确获得隧道衬砌质量的合格率。同时,根据地质雷达检测结果解译可对缺陷等级进行合理的划分,为后续工程的施工质量提供可靠参考和技术依据。为掌握已运营10 年左右的某铁路隧道的衬砌状态,拟采用地质雷达对该隧道进行无损检测,以评价其健全度并对可能存在的问题提出整治措施。

1 地质雷达检测原理

地质雷达主要是用于对地层、地质体或地上混凝土构筑物的内部结构进行无损检测的技术。已知电磁波信号在介质中传播时,当遇到介电常数相差较大的两种物质界面时,会发生反射、透射和折射现象,根据这种原理,利用天线向目标地质体中发射宽频带的高频电磁波,通过对接收到的反射信号能量进行分析可知,当两种介质的电性差越大时,反射能量越大。使用专门的设备对反射波信号的运动特征进行记录和分析处理,可得到全断面扫描图,通过对该图件进行判读,便可得出地下目标体的结构信息[9],探测示意图如图1 所示。

图1 地质雷达探测示意图

根据以上原理可由以下公式计算目标体的位置:

根据测得的雷达波用时,自动计算目标体的位置深度z 和发育范围x。

决定电磁波在介质中传播深度的参数是电导率μ,在电导率值确定时,介电常数ε 决定传播速度,由此可知,电磁波在传播路径中电性差较大的分界面也是传播速度差异较大的分界面,当电磁波传播时遇到这种分界面后,反射回波中会含有这种电性差信号。

基本参数包括:

(1)电磁脉冲波旅行时间

式中:z 是目标体位置深度;x 是发射与接收天线的距离(因z 远大于x,因此忽略x);v 是介质中电磁波波速。

(2)电磁波在介质中的传播速度

式中:C 是真空中的电磁波波速;εr是介质的相对介电常数,μr是介质的相对磁导率(通常情况下μr约等于1)。

(3)电磁波的反射系数

电磁波在均匀介质中传播时,路径不发生偏折,当遇到介电常数有显著差异的地质体时,波形发生反射或折射,反射波的能量随电磁波的路径改变而发生分配,这种能量分配的比例系数与介电常数改变界面的反射系数有关,公式如下:

2 检测方案

2.1 工程概况

某运营隧道全长13468m,位于四川盆地东和湖北西之间交界的山区,构造侵蚀,中山陡坡地形,陡坎、悬崖分布广泛。施工区结构构造复杂,围岩多发育砂岩、泥岩、页岩等;隧洞口和隧道主体断层节理裂隙发育,围岩破碎,主要不良地质有滑坡、岩堆、危岩落石、水平缓倾岩破碎岩层、瓦斯(天然气)、断层带等,尤其以水平构造岩层、瓦斯天然气、危岩落石最具代表性。

2.2 实施方案

2.2.1 测线布置

测线沿隧道走向方向布置,共布置7 条测线,具体位置分别为隧道左边墙、右边墙、左拱顶-1、左拱顶-2、右拱顶、左拱腰和右拱腰。现场检测测线布置示意见图2。

图2 隧道衬砌检测雷达测线布置示意图

2.2.2 数据处理

人们会对采集到的初始图像进行提高信噪比和突出目标信号的处理。一般对原始图像会进行零时校正、增益、带通滤波和偏移处理。具体流程如下:

(1)零时校正,以修正雷达系统时延,使地面反射信号基本处在零时刻的位置。

(2)增益,以补偿电磁波在扩散传播时的能量损耗,提高深处目标信号的辨识度,先后使用线性增益来补偿波前扩散的振幅衰减,指数增益来补充电磁波能量在介质传播过程中的损耗。

(3)带通滤波,以抑制图像中的低频和高频噪声,此次使用通带为800~1000MHz 的带通滤波器。

2.2.3 结果解释

解释工作严格按照如下要求:

(1)在掌握测区内物性参数和衬砌结构的基础上,应按由已知到未知和定性指导定量的原则进行解释。

(2)结合施工现场情况,总结归纳周围潜在的干扰源位置和原始图件中目标体之间的位置关系,精确区分有意义的异常信息和干扰异常。

(3)应获取信号往返所需时间的精准数据。

(4)最终解释成果和雷达成果图件应当符合衬砌质量检测的要求。

具体解释流程如下:

(1)衬砌厚度解释

衬砌界面根据反射信号的强弱、频率变化及延伸情况进行确定,见图3。

图3 衬砌与围岩雷达反射剖面示意图

如果衬砌比较密实,反射波信号幅值较弱甚至无信号返回;相应的,如果衬砌不密实,有孔洞存在,反射信号同相轴呈绕射弧形,不连续且较分散(见图4)。

图4 不密实雷达反射剖面

如果衬砌出现空洞,其反射信号强,三振相明显,下部有强反射界面信号,两组信号时程差较大(见图5)。

图5 空洞雷达反射剖面

3 检测结果分析

3.1 衬砌厚度

根据衬砌设计厚度的不同分段,对整座隧道衬砌检测厚度划分30 段进行评定,统计每段各条测线检测厚度的平均值、最大值和最小值(见表1),全隧衬砌合格率为94%。

表1 衬砌厚度检测结果统计表

3.2 衬砌背后缺陷

通过对地质雷达图像进行解译,识别出该运营隧道共计207 处(见表2)缺陷、累计长4124.5m。

表2 衬砌缺陷统计表

3.3 整治建议

由雷达检测结果知,该隧道存在一定程度的衬砌厚度不足、衬砌背后脱空或不密实等隧道典型缺陷病害。根据不同的缺陷类型,提出整治建议如下:

(1)衬砌厚度不足

针对局部衬砌厚度严重不足(<25cm),采用局部开窗方案进行整治;针对大面积衬砌厚度严重不足(<25cm),采用增设套衬方案进行整治。若是欠挖至衬砌厚度不足,开窗后需先处理欠挖再恢复衬砌结构。

(2)衬砌背后脱空

衬砌背后脱空常伴随衬砌厚度不足,若衬砌厚度小于25cm,则参照衬砌厚度不足措施进行处治;当衬砌厚度大于25cm 时,则采用非收缩浆液进行充填注浆处理。

(3)衬砌背后不密实

针对衬砌背后不密实的部位及程度,若需结构修复或补强时,参照衬砌厚度不足措施进行处治;不需结构修复或补强时,则采用非收缩浆液进行充填注浆处理。

4 结论

4.1 结合运营隧道的特点,利用地质雷达高效率、高分辨率以及无损检测的优势,安全、高效地完成运营隧道衬砌检测工作。

4.2 通过数据分析和解译,详细列出该隧道衬砌所存在的衬砌厚度不足、衬砌背后脱空和不密实等典型隧道缺陷,为后续隧道缺陷整治提供技术依据,并分类分级提出了相应的整治措施建议。

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