地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题

地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题主讲人：仇文革教授西南交通大学二OO五年六月二十一日随着国家陆路交通的不断发展，铁路公路隧道的数量也在逐年增加，同时在运营过程中暴露出来的隧道病害也在连连告急。这就需要一种高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速的检测方法来适应这种发展，使隧道病害能够提前得到治理。地质雷达检测方法可以对隧道衬砌混凝土厚度、密实性、脱空等进行快速检测，它不仅克服了传统上以点盖面的只靠目测和打孔抽查来对隧道质量进行不全面检测的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率、能快速、高效的进行无损检测的方法，在隧道工程质量检测中得到广泛的应用。前言虽然地质雷达在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用，但就检测过程中所要特别注意的问题（雷达波速的标定、地质雷达天线频率的选择、地质雷达图像的定位等问题）、检测设备所存在的问题（地质雷达天线的轻型、小型化以及隧道检测专用检测车的设计等问题）、后处理问题（缺陷中空洞的准确定位、标准图谱库的建立、检测结果的快速及可视化等问题）等均有待进一步得到解决。以下就上述问题开展一些讨论。在地质雷达检测的测线上，用钻机在混凝土上钻透衬砌混凝土，然后再用尺量出混凝土衬砌的实际厚度(d)，并从地质雷达图像上读出钻取位置处衬砌混凝土反射层面的双层走时，再根据式(1)即可求出波速。波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1钻芯法测混凝土衬砌厚度tdv2式（1）使用激光断面仪（见图1）对隧道初支/二衬前断面进行检测（见图2），待初支/二衬完成后在同一断面再次进行检测（见图3），通过相同位置两次检测结果的差值（见图4），可得出检测断面初支/二衬的准确值。再根据式（1）利用此准确值对地质雷达在初支喷混凝土/二衬混凝土中传播的波速进行标定。波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度图1BJSD-2型隧道限界检测仪图2初支/二衬前断面检测示意图图3初支/二衬后断面检测示意图波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度图4初支/二衬厚度检测示意图图5拱顶测线处厚度及雷达图像从图5可知，d=0.236m，雷达波双程走时为4ns，根据式（1）求出波速为0.118m/ns。已知整个检测断面的初支/二衬厚度，可将不同测线在此断面的波速分别求出，再对其进行综合分析，求出综合的波速值。从这点出发，要比钻芯法求衬砌厚度的方法在科学性、准确性（精度）上都优越得多。波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度使用激光断面仪对隧道开挖轮廓或衬砌净空进行检测（见图6～9），不仅可以对地质雷达波速进行标定，而且还可以评价隧道开挖及隧道净空是否满足设计要求。从而达到了多个检测项目相结合的效果。图6新建公路隧道断面检测照片1图7新建公路隧道断面检测照片2波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度图8既有铁路隧道断面检测照片1图9既有铁路隧道断面检测照片2当衬砌背后存在明显空洞时，检测到的波谱图像中将存在抛物线。从而可通过在速度(V)处输入不同速度值进行拟合，当抛物线与图像中存在的抛物线完全拟合时，该速度即为衬砌混凝土的速度（如图10所示）。波速标定问题1.2间接法（雷达宽角速度测量法）图10衬砌混凝土内波速拟合示意图波速标定问题1.2间接法（雷达宽角速度测量法）从图11可知波谱图像中抛物线的形成原因，在图中可任取两个点对速度进行拟合。由其关系可推导出速度拟合公式如下：22212221)(4ttssv式（2）图11抛物线成因示意图波速标定问题1.3混凝土龄期对雷达波速的影响问题由相关文献知：利用地质雷达技术检测混凝土内部缺陷体时，混凝土龄期越短，探测缺陷体的效果越好。这就说明随混凝土龄期的不同，其介电常数是有差异的。从而提出龄期对雷达波速有影响的问题。地质雷达天线频率的选择问题频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高、精度较高、能量衰减较快、探测深度较浅；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低、精度相对较低、能量衰减较慢、探测的深度较深。各频率天线详见表1、图12所示。图12RAMACⅡ型地质雷达各频率天线序号天线(MHz)土壤中(m)岩石中(m)备注12525402502030310012204200815525051065003.55780023.5810001.53表1不同天线的穿透深度地质雷达天线频率的选择问题表2检测厚度与天线频率选择对照表序号探测目标及深测深度（cm）天线频率（MHz）备注1喷混凝土（10～20）10002模筑混凝土(30～100)5003衬砌背后围岩（200～300）200；100因此，选用天线时，应根据隧道混凝土厚度及检测要求来确定天线的频率，详见表2。里程的标记问题为了保证地质雷达图像上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应，先在隧道边墙上用红油漆每5m作一个标记，标注里程以供核对。实际检测时，当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号，在雷达记录中每5ｍ作一个标记，同时，应尽量使天线匀速移动。由于检测时天线的走向不是真正意义上的直线，而是蛇形前进，所以，即使是采用里程轮，也应对记录的里程与实际里程进行核对。整理资料时，根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程，以保证雷达图像点位的准确（见图13）。里程的标记问题图13隧道里程与雷达标记对照示意图如图13所示，如若每米作1个标记，即使检测速度不一致，也可准确定出隧道每米的准确位置；每5米作1个标记，能确定每5米处的准确位置，而每5米间只能通过平均处理来确定每米的位置，若5米内的速度存在差异，将会导致隧道每米的准确位置不能确定，见图13(b)、（c)及图14。图14实测雷达图像上标记地质雷达天线轻型化、小型化技术从事地质雷达对隧道衬砌厚度进行检测的检测人员均有深刻体会：特别是进行隧道拱部的各测线检测时，天线密贴衬砌表面变成极困难的事情。原因：一是目前还未有专门用于隧道检测的检测车，使扶天线的工作成为高空作业，在现场检测时常借助装载机或挖掘机进行检测（见图15～20）；二是目前采用的天线重量、体积均较大（特别是低频率天线）。往往造成扶天线的工作人员不堪重负。图15新建公路隧道现场检测照片（拱脚）图16新建公路隧道现场检测照片（拱顶）1地质雷达天线轻型化、小型化技术图17新建公路隧道现场检测照片（拱顶）2图18新建公路隧道现场检测照片（拱顶）3地质雷达天线轻型化、小型化技术图19新建公路隧道现场检测照片（拱顶）4图20既有铁路隧道现场检测照片（拱顶）对于现有技术，可将电池供电改为外部供电（电瓶等）以减轻雷达天线的重量。在天线原材料选择时，可选取轻质、硬度大的材料。隧道专用检测车的设计上面已提出：对于新建或既有隧道的拱部进行检测时，密贴天线在衬砌表面是很困难的。其中最主要的一个原因就是作业人员无专用操作台，不便操作造成的。目前常采用的办法是在汽车上搭设钢管架或利用检修车等作为检测车（见图20、21、22）。为了今后隧道检测工作的方便，从而提出隧道专用检测车的设计问题。图21汽车上搭设钢管架简易检测车图22公路隧道检修车隧道专用检测车的设计对于专用检测车的要求：以汽车/卡车为载体，在其上架设特制部件用于安放雷达天线，为了使天线密贴衬砌表面，在雷达下部加设弹簧等结构给天线加力，使其密贴；就目前而言，所检测的测线并非完全意义上的直线，大多存在左右或上下摆动，造成天线沿衬砌表面蛇形前进或局部存在脱离衬砌表面，所以要在检测车上安设导向装置，使天线的走向（地质雷达测线）成真正意义上的直线。设备生产的本土化及国产化问题由于地质雷达为主的无损检测方法已得到极大的推广和应用，为了适应地质雷达在隧道等工程质量检测中的发展，从而提出了地质雷达设备生产的本土化及国产化。所谓本土化，是外国设备生产企业在我国进行合资或独资办厂，利用国外技术及国内的劳动力进行生产；所谓国产化，是国内企业自已办厂，利用已有技术及部分国产元件进行生产。只要达到地质雷达设备生产的本土化及国产化，将大大降低成本、增加生产，满足社会的需要。同时也能促进地质雷达得到更广泛的应用。空洞定位问题在隧道衬砌的缺陷判定时，所采用的地质雷达图像通常只是某一条测线所采集到的。众所周知，地质雷达所采集的图形并不完全是天线所经过测线剖面的如实反映，如若在测线附近存在空洞等缺陷时，即使不在测线剖面上，在地质雷达图像上也会有反映。当存在这种情况时，如只采用一条测线对空洞进行精确定位是比较困难的。如若在其空洞位置正交补测一条或多条短测线，则可通过两个、多个地质雷达剖面图像进行立体分析，可对空洞进行精确定位。但对于空洞存在的规模（空洞高度）仍不能准确定量。这是因为：雷达波在空洞的波速无法准确给定；空洞第二界面的反射波特征很难确认，从而导致空洞的高度无法准确定量。测试规程的制定、标准图谱库的建立由于目前仍没有统一的测试规程，现在均是根据经验进行处理分析，造成了对雷达测试结果评判的混乱。如果处理不当，容易造成对雷达检测结果产生误解，可能会制约地质雷达检测在隧道工程质量检测中的应用前景。因此，应尽快制定相应的测试规程以适应雷达检测发展的需要。同时，由于标准图谱库的欠缺，造成相同的地质雷达剖面图像，由不同的人判读，会得出不同的结果。这就提出要有统一的标准图谱，对各种可能的情况（空洞、不密实、含水及分层等情况）经过试验，做出标准图谱，供判读图像的检测人员参照，以避免读出错误的结果，从而避免错误检测报告的产生。后处理为了还原地质雷达所检测目标及缺陷的实际情况，使成果能让人一目了然，要求对地质雷达检测图像进行3D处理（见图23、24），达到检测结果的可视化效果。图23Easy3D软件处理结果1图24Easy3D软件处理结果2后处理对于目前的后处理工作，虽经过各种变换、滤波之后进行层位追踪（见图25、26），可以进行结果的判读。但若检测工作量较大时，快速出结果就极为困难。所以，如何快速对检测结果进行处理，也是需要解决的问题。图25层位追踪示意图图26层位追踪结果图结束语在充分处理好上述地质雷达在隧道工程质量检测中应用的技术问题之后，将会使地质雷达在隧道检测中的应用得到更高层次的发展，以满足新建隧道质量检测和既有/运营隧道的技术状况检测的需要，使地质雷达检测成为我国的基础设施建设中质量控制不可缺少的检测方法。