地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量
- 格式：pdf
- 大小：114.41 KB
- 文档页数：3
3β0或 dmax ;
35 σ
74
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
岩土工程界 第 6 卷 第 3 期
检测与分析
式中 :β是介质吸收系数 ,单位 dB·m - 1 。σ是电 导率 ,单位 ms·m - 1 。在实际工作中 ,目标体深度是 一个非常重要的问题 。如果目标体深度超出系统探图 8 衬砌混凝土Fra bibliotek度的地质雷达剖面图
图 6 不密实衬砌混凝土体的地质雷达剖面图
(2) 脱空现象的解释 :脱空体在地质雷达剖面图 上主要表现为在胶结面以下出现多次反射波 ,同相 轴呈弧形 ,并与相邻道之间发生相位错位 ,且其能量 明显增强 (图 7) 。从图 7 中可以看出 :深度在40 cm以 上 ,同相轴连续 。在深度 40 cm ,水平位置为 105609 ～105607. 5 段 ,出现多次反射波 ,同相轴呈弧形 ,与相 邻道之间发生相位错位 ,且其能量明显增强。
图 7 脱空体的地质雷达剖面图
(3) 衬砌混凝土厚度的解释 :一般情况下 ,雷达 波经发射天线发射后 ,最先到达接收天线的雷达波 为空气直达波 ,紧接着为表面直达波 ,再为混凝土和 围岩胶结面的反射波 。反射波能量与围岩和衬砌混 凝土之间的物性差异有关 ,两者物性差异越大 ,反射 波能量就越强 ,反之 ,其能量就越弱 。图 8 为判定的 厚度典型地质雷达剖面图 ,图中存在多条连续的同 相轴 ,沿时间轴方向 ,11～13 ns 处强能量连续的同
当反射界面的埋深为 H , 发射 、接收天线间的距离
远小于 H 时 ,第一 Fresnel 带的直径按下式计算
dF =
λH 2
式中 :λ为雷达子波的波长 ,λ =
v f
。H
为异常
体埋深的深度 。实践表明 ,目标体水平尺寸为 Fres2
nel 带直径的 1/ 4 时 ,仍能接收到清晰的反射波 。亦
即地质雷达的水平分辨率高于 Fresnel 带直径的 1/
参考文献 〔1〕 李大心. 地球物理综合应用与解释. 武汉 :中国地质大学 ,1999. 〔2〕 李大心. 探地雷达方法与应用. 北京 :地质出版社 ,1994. 〔3〕 钟世航. 探地雷达检测隧道衬砌中的几个问题. 物探与化探 ,
2002 ,26 (5) . 〔4〕 王惠濂. 探地雷达目的体物理模拟研究结果. 地球科学 ,1993 ,
受诸多因素影响 ,隧道衬砌混凝土可能会出现 不够密实 、不够厚等工程质量问题 。为及时发现隧 道衬砌混凝土的质量问题 ,可利用具有快速高效 、分 辨率高的地质雷达法沿测线扫描检测 。
地质雷达法检测内容主要为隧道衬砌混凝土密 实性 、脱空及厚度等 。相关介质的物理参数见表 1 。 从表 1 中可知 :衬砌混凝土与围岩 (花岗岩 、砂岩 、黄 土等) 之间存在着物性差异 ;缺陷部位衬砌混凝土被 水或空气充填 ,与密实的混凝土的物性有明显差异 。 因此 ,采用地质雷达法对隧道衬砌混凝土质量进行 检测是可行的 。
地质雷达能探测到的物体的深度称为地质雷达
的探测距离 。理论上可用雷达的探距公式进行计算
得到 ,也可使用简易算法估算 。商用地质雷达一般
允许介质的吸收损耗达到 60 dB 。当介质吸收系数
< 0. 1 dB (这符合通常的地质环境) ,则 Annan 给出 了探测深度 dmax简易估算式
dmax ;
得目标体的深度值 (m) 。当发射和接收天线沿物体 表面逐点同步移动时 ,就能得到其内部介质剖面图 像 。图 2 是地质雷达检测混凝土质量的原理和记录 示意图 。记录图像中呈弧状的同相轴为混凝土缺陷 对电磁波的反射所引起 。
表 1 与隧道衬砌相关的介质的物理参数
介质 介电常数
空气 水 砂岩 灰岩 花岗岩 混凝土 粘土
1
80
6 4～8 4～6 4～20 5～40
电导率 / ms·m - 1
0 0. 5 0. 04 0. 5～2 0. 01～1 1～100 2～1000
传播速度 / m·ns - 1
0. 3 0. 033
/ 0. 12 0. 13 0. 11 0. 06
衰减系数 / db·m - 1
0 0. 1
/ 0. 4～1 0. 01～1
t = 4 z 2 + x 2/ v 式中: x 值 在 剖 面 探 测 中 是 固 定 的; v 值 (m·ns - 1) 可以利用现成数据或测定获得 ,由上式可
〔收稿日期〕 2002 - 11 - 04 3 国家自然科学基金重点项目[ 50139031 ]
图 2 雷达记录示意图
2 探测深度与精度
检测与分析
GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL. 6 No. 3
地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量 3
周黎明1 ,2 王法刚2
(1. 中国地质大学研究生院 2. 长江科学院)
摘 要 介绍隧道工程衬砌质量的地质雷达检测方法 、原理和实际应用效果 。 关键词 衬砌质量 地质雷达 分辨率
4 。由于 Fresnel 带的存在 ,当 2 个有限的目标体的
间距小于 Fresnel 带时 ,则不易区分开 。
频率也不同 ,可根据拟探测深度来选定天线的频率 。 频率高的天线发射雷达波主频高 、分辨率高 ,但穿透 距离小 ;频率低的天线发射雷达波主频低 、分辨率 低 ,但是穿透深度大 。时窗的选择是非常重要的 ,若 记录长度 (时窗) 过短 ,则记录数据达不到目标体的 深度 ;过长 ,则增大了采集量 ,降低了效率 。时窗的 选择可根据下式计算 :
/ 1～300
1 检测原理
地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分 布 。向被测物发射高频宽带短脉冲电磁波时 ,电磁 波遇到不同介电特性的介质就会有部分返回 ,接收 反射波并记录反射的时间 。根据接收到波的旅行时 间 (双程走时) 、幅度频率与波形变化资料 ,可以推断 介质的内部结构以及目标体的深度 、形状等特征参 数 (图 1) 。脉冲波走时 :
probing radar. Geoscience Canada ,1986.
第一作者通讯地址 :武汉市鲁磨路中国地质大学研究生院硕 2000 - 4 班 邮编 :邮编 :430074
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
测深度的 50 % ,那么地质雷达方法就要被排除 。 分辨率决定了地球物理方法分辨最小异常介质
的能力 。分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率 。研
究表明地质雷达在垂直方向可探测到目标体的厚度
为雷达子波波长的 1/ 4 倍 。可用下式估算测试成果
的垂直分辨率 :
b
=
λ 4
=
v 4f
水平分辨率与测点距离 、Fresnel 带直径有关 。
检测与分析
(1) 不密实体的解释 :不密实的衬砌混凝土体在 地质雷达剖面图上波形杂乱 ,同相轴错断 (图 6) 。 从图 6 中可以看出 :在深度为 10 cm 以上 ,同相轴连 续 ;在 10 cm 以下 ,波形杂乱 ,同相轴错断 。
GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD VOL. 6 No. 3
w = 1. 3 ×(2 × dmax) / v
4 资料解释
铁路隧道内大多有电缆 ,检测过程中使用汽车 和钢管排架 ,它们对地质雷达的信号产生影响 ,给检 测工作及成果解释带来了一定的困难和误差 。实际 测量中往往采取以下方法减少它们对测量结果的影 响 。首先通过 FF T 变换分析 ,利用数字滤波 、反滤 波 、偏移等手段压制随机的和规则的干扰波 ,提高信 噪比 。图 4 为处理前的地质雷达剖面图 ,图 5 为处 理后的地质雷达剖面 。对比图 4 、5 ,处理前 ,同相轴 错断 ,波形较杂乱 ; 经处理后 ,波形较规则 ,能量集 中 ,界面清晰 。
图 3 测线断面布置示意图
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 。实际检 测时 ,由于围岩类别不同 ,衬砌厚度也不同 ,天线的
图 5 处理后的地质雷达剖面图
75
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
18 (3) . 〔5〕 黄南晖. 有耗媒质中电磁波的传播特性. 地球科学 ,1993 ,18 (3) . 〔6〕 Sensors &Software Inc. Pulse EKKO1000A USER’s GU IDE
[ R ]Version1. 1 ,Canada :1994 〔7〕 Davis J L ,Annan A P . High resolution sounding using ground
3 检 测
检测时在各检测隧道段的拱顶 、拱腰以及边墙 3 个部位 (图 3) 分别布置检测剖面 :拱顶为各隧道的 正顶部附近 、拱腰为隧道的起拱线以上 1 m 左右 , 边墙为隧道的排水沟盖板以上 1. 5 m 左右 。检测 点定位以各隧道施工单位所提供测量为准 。为保证 点位的准确 ,在各隧道壁上每 5 m 作一标记 ,标上 里程 ,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 10 m 作一标记 。整理
76
相位为衬砌混凝土和围岩之间界面的反射波 。
5 结 语
综上所述 ,在对测试资料进行分析处理的基础 上 ,地质雷达能较好地对隧道衬砌的实际情况作出 除强度外的检测 ,但由于其探测精度与所取的波速 有关 。因此 ,需要在现场测取足够点数的雷达波 ,而 混凝土中的雷达波有一定的离散性 ,有时可达 5 % ～10 %。因此 ,在注意波速测取的情况下 ,计算出的 衬砌厚度误差可在 2～4 cm 。若要精确得出实测厚 度 ,需作发 - 收距的校正 ,工作量很大 。对于脱空 区 ,由于其中充满潮湿的空气 ,含水率不可知 ,其波 速也不可测 ,因而无法准确确定脱空的高度 ,只能给 出一个概略值 。这些都是方法本身客观存在的问 题 ,需进一步地进行完善 。雷达检测不仅用于铁路 隧道 ,对于公路路基和隧道 ,水利水电工程的大坝 、 交通洞 、引水隧道 ,地下管线 ,地基加固效果检测 ,岩 溶 ,滑坡 ,探测和维护古建筑物结构及进行考古研究 等方面也同样可以应用 。
