地质雷达在隧道检测中的应用

【摘 要】本文通过阐述地质雷达工作原理,就雷达应用中电磁波在不同介质的界面发生反射产生不同的形状这一特点,结合工程分析了雷达在检测隧道中我们肉眼难以观察到的衬砌厚度、背后空洞、钢筋网及钢拱架等客观存在.进而体现了地质雷达在隐蔽工程检测方面具有快速、高效、无损伤的优点以及其他方面的应用潜力.

【关 键 词】隧道衬砌；地质雷达；检测；物理特征；分析

1引言

近几年来,山区公路迅速发展,隧道的数量逐步增多,其工程质量也越来越得到重视,因此衬砌检测是隧道工程的一个新方向.地质雷达在衬砌检测中具有高效、无损、定位准确等优点,被广泛运用.本文通过某隧道检测实例来说明地质雷达图像特征及其质量缺陷成因分析.

2雷达工作原理及测线布置

2.1雷达检测原理

地质雷达技术（GPR）是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术.其工作原理是通过发射天线向介质发射高频电磁波,经地下目的体或地层的界面发射后返回地面,被雷达天线接收器所接收,电磁波在介质传播时,其路径、电磁强度与波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而变化,所以对接收信号经行分析处理,可判断地下的结构或埋藏物等.具体如图所示

2.2地质雷达探测系统组成和探测方法的选择

地质雷达探测系统是由地质雷达、天线、便携式计算机、数据采集软件、数据分析处理软件等组成.应用地质雷达探测前,首先对目标体所处深度、几何形状、走向、倾向、倾角以及周围介质的介电差异有所了解,以便开展探测工作.

我们根据工作场地选择是连续测量方式、点测方式还是测量轮数据采集方式.一般如果场地平坦、并无较大障碍物的条件下采用连续探测.如果目标需精确定位,我们采用测量轮探法.当场地条件差,深层信号弱的时候我们采用点测方式.

2.3现场检测布置

隧道检测为了对每个检测部位做到均衡布置测线以便检测结果能够较全面的反应工程整体质量分布情况,一般在拱顶、拱腰、边墙位置布置5条测线,拱顶测线布置在正中间,拱腰测线位于拱脚上方0.5～1.0m范围,边墙测线位于边沟盖板上方1.5～2.0m范围.测线每5～10m应一里程标记.如图2.1.

图2.1地质雷达剖面法探测示意

3应用实例

3.1工程概况

重庆某公路隧道运营多年后表现为隧道顶部小块剥落、砼脱皮块度大小不一,部分衬砌墙身混凝土出现蜂窝状,并有漏水现象.通过对隧道进行现场检测,了解衬砌工作现状,为养护管理及安全评估提供相关依据.

3.2质量缺陷分析及其雷达图像特征

3.2.1衬砌空洞

1.光爆效果差和防水板铺设不当形成的空洞

光面爆破是通过正确选择爆破参数和合理的施工方法,达到爆后壁面平整规则、轮廓线符合设计要求的一种控制爆破技术.但是光面爆破如果控制不好,超挖、欠挖现象较频繁,很容易造成隧道断面出现锯齿状的起伏,这种情况下规范规定在初期支护是采用同级喷射混凝土找平.但是一些施工单位采用偷工减料的做法,一般在喷射混凝土前在拱部钢筋网背后用片石回填,再喷射混凝土,形成小面积的空洞.

另外由于防水板铺设过紧或者过松也会造成其背后出现空洞,并且空洞出现的频率与光爆质量密切相关.

图3.1所示防水板位置,圆圈内是形成的空洞,可以看出这个小段出现连续脱空现象.

图3.1衬砌连续脱空

图3.2是在检测过程中出现的由于光面爆破效果不好,造成防水板上部脱空的雷达图像.

图3.2防水板脱空

2.施工不当形成的空洞

施工过程中模板支架底部不坚实或者支架疏松,以致顶部模板下沉过大造成顶部衬砌混凝土下沉脱空.

图3.3是挡头模板形成空洞示意图.在泵送混凝土衬砌时,两个衬砌循环的衬砌连接处,混凝土不易被填满,后一循环模板位置形成空洞.

图3.3两模块处三角形脱空

3.2.2衬砌不密实

衬砌不密实通常发生在衬砌混凝土和围岩之间,一般是由于回填片石处理后灌注砂浆不饱满,片石之间存在微小空隙造成的,各个空隙之间不连续,图像特征和空间相似,反射波的强度不如空洞,并且反射波相位紊乱.

图3.4为隧道施工过程中通过钢拱架在作为初期支护的喷射混凝土土层背后设置大石块或者其他异物以取代混凝土充填空间,造成了围岩与初期支护之间的不密实.

图3.4混凝土不密实

3.2.3钢筋网缺失、错断

Ⅴ级围岩、局部Ⅳ围岩或大的塌方、溶洞需要采用钢筋网或者钢拱架作为初期支护,加强衬砌的承载能力.钢筋网和钢拱架的数量直接影响隧道的安全,因此需对其的数量和位置进行检测.主要检测钢筋混凝土和初期支护中的钢拱架、钢筋网的位置和数量.图3.5为钢筋网缺失,其左侧钢筋网突起位置衬砌混凝土厚度15cm,属于欠挖行为.

图3.5钢筋弯缺失

3.3提高雷达测试精度措施

3.3.1了解检测位置的物理状态

电磁波在介质中传播是及其复杂的,信号的反射、投射等现象和介质的导电率、介电常数相关,所以雷达检测时其影响因数有检测面是否平整、衬砌层结构材料的变化、含水量的变化、合理取芯点位.隧道检测有多条测线且每条测线衬砌的物理状态有变化时,需要详细了解隧道的设计资料和施工记录.

3.3.2消除或减少现场环境因素干扰

检测过程中应先取得施工方的有效配合,清理测试环境,检测时候应该停止隧道及相邻隧道的施工,减少各种噪声的干扰,将环境因素对检测结果的影响降到最低.

4.结语与展望

相比传统人工取芯而言,地质雷达具有无损、真实、经济、快捷、采集数据量大,更能够客观的评价衬砌层质量.

通过雷达收集的衬砌厚度、背后密实度、钢筋数量等结合结构裂缝、渗漏水、剥落情况建立一套隧道健康评价指标体系,实现隧道健康诊断可视化.