隧道病害检测中探地雷达技术的应用
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配套的网络管理系统采用: 网络管理工作站; 网络
[ 1] 张国伍.交通运输系统分析 [ M] .成 都 : 西 南 交 通 大 学 出 版 社 ,
管理平台; 网络管理应用系统。
1991.
网络管理系统通过枢纽网络管理平台将系统内
据 记 录 的 标 记 定 为 10m 一 个 。 规 定 隧 道 入 口 定 为
0m, 即以隧道的相对里程为依据。
2.2.3 仪器测量参数
测量参数的选择合适与否关系到测量结果的可
靠度。测量参数主要包括天线的采样中心频率、介
电常数、时深、采样率、探测对象、扫描率等。测
量参数选取时应首先详细了解被探测对象, 了解探
2 工程实例
2.1 工程概况 该 隧 道 位 于 312 国 道 甘 肃 省 境 内 , 隧 道 全 长
860m。 隧 道 单 向 纵 坡 为 1.57% , 洞 内 净 宽 为 9 + 20.75m。 工 程 地 质 勘 探 表 明 : 隧 道 东 、 西 口 各 95m 为黄土段, 其余为泥岩段。该隧道在设计中在黄土 段 采用下设 35cm 厚 , 半 径 为 20m 的 底 仰 拱;在 泥 岩 段, 下设 35cm 厚, C15 片石封底混凝土。拱圈衬砌 按等截面采用了复合衬砌, 中间采取了复合防水板
图3 道衬砌厚度雷达线测
3.2 隧道各病害检测 本隧道表面的病害主要表现隧道衬砌大面积开
裂, 衬砌后面局部存在空洞, 衬砌混凝土厚度达不 到设计要求, 且部分衬砌内部存有蜂窝状孔隙。其 次部分衬砌开裂处有水渗出, 冬季在路面造成结冰, 影响隧道的正常使用安全。通过雷达线测扫描对隧 道衬砌病害进行检测可以清晰的分辨出衬砌的开裂 程度, 空洞的大小, 衬砌厚度的变化, 及其出积水 的部位、状态、程度与轮廓等具体检测结果如图 4~ 图 6 所示。
隧道衬砌结构各层的厚度是否达到设计要求, 是隧道质量检测的一项重要内容, 它关系到衬砌结 构使用的安全。通常检测的方法有声波法、稳态面 波法与钻孔取芯法等。前两者通常不是很直观, 钻 孔法虽然很直观, 但是费时费力, 且对衬砌混凝土 有一定的损伤。雷达探测技术克服了上述缺点, 它
作者简介: 李又云 ( 1973- ) , 男, 山东聊城人, 讲师, 博士研究生, 研究方向为隧道岩土工程。
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通过连续扫描无损探测技术, 可得到对隧道衬砌探 测的连续结果; 其次可以十分方便地检测衬砌内部 钢筋的分布情况。这主要是利用了两种材料的介电 常数有较大差异的性质。 1.2 混凝土衬砌开裂
隧道衬砌开裂是隧道主要病害之一, 它通常是 渗流或渗透的主要通道。裂缝在衬砌中有着各种不 同的形式, 根据开裂的方向有: 环向裂缝与纵向裂 缝; 根据贯通程度有: 贯通裂缝与未贯通裂缝。一 般情况下, 未贯通裂缝内部往往存在有积水。进行 检测时, 雷达图像中雷达波表现为高频多次强反射, 基于反射强度的强弱, 可以判定裂缝开裂的程度。 1.3 衬砌欠实或脱空
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本栏目由江西省交通工程集团公司协办
隧道病害检测中探地雷达技术的应用
李又云, 谢永利, 杨晓华
( 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710064)
摘 要: 文章通过对探地雷达原理的分析, 详细介绍了探地雷达在某隧道病害中的应用。经对检测结果的
分析表明, 雷达在隧道病害检测中具有分辨率高、图像直观、使用方便的优点。
下几种广域通信方式: DDN 专线、X.25 分组交 换网 和拨号方式。
广域出口包括设备包括路由器、访问服务器, 其中路由器提供 X.25 和数字专线两种广域出口链路 方式, 访问服务器提供拨号上网方式。 3.3 网络管理
主枢纽中心计算机网络系统要求有很高的可靠 性, 因此建立完善的网络管理系统是非常必要的。
3.4 网络操作系统
网络操系统 建议采用 UNIX 操 作系统。UNIX 操
作系统是一个通用的多用户分时操作系统,在许多领
域中获得广泛的应用,特别是在 INTERNET 互连网中,
UNIX 操作系统更是主流操作系统。
UNIX 操 作 系 统 具 有 的 特 点 : 支 持 TCP/IP 协 议,
图2 枢纽管理中心网络拓扑结构 务网点的业务需求。根据分布和规模, 我们采用以
里程标记是记录检测数据与实际位置相互关系 的记号, 标记太短则打标任务繁重, 不利于检测的 进行, 标记太长则可造成记录位置误差增大, 因此 标记应权衡二者, 根据该隧道的具体情况, 检测数
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表2 各测线衬砌厚度所占百分比一览表/%
测线 1 2 2′ 3 3′ 4 4′
≤40 40 ̄50 50 ̄60 60 ̄70 70 ̄80 80 ̄90 90 ̄100 ≥100
3 9.8
78.1
6.1 3
-
-
14.9 23.2
71.9
-
-
-
-
-
100
-
-
-
-
11 64
22
3
-
-
0.6 -
1 雷达检测原理
地质雷达俗称探地雷达, 它的试验原理如图 1 所示。控制单元①接受指令, 产生电磁脉
冲通过屏蔽电缆②由雷达天线③的发射极向地 层发射一组以某一频率为中心的高频电磁波④, 在 传播的过程中, 电磁波遇到不同电磁性介质的分界 面时, 一部分电磁波能量会转换成反射波⑥返回地 面, 另一部分电磁波⑤则透过界面继续向前传播, 再次遇到界面时, 又一部分电磁波产生反射返回地
测对象材料的电磁性, 合理的确定介质的介电常数。
除此之外还应该对检测对象的病害有详细了解。根
据隧道病害存在的情况, 在病害检测时仪器的参数
选取如下。
天线
400MHz
900MHz
时深
40ns
16ns
采样率 256samples/scan 256samples/scan
存储位数 8bits/sample
8bits/sample
扫描速率 64scans/second 64scans/second
增益
4~5agc
3agc
滤波
50~800MHz
125~1800MHz
水平叠加 3
4
3 病害检测结果分析
隧道衬砌混凝土的介电常数与隧道围岩介电常 数有一定的差别, 因此在衬砌与围岩的分界面上存 在明显得电磁波反射, 如图 3 所示。
如果衬砌与围岩之间存在空洞或回填疏松, 往 往在该段存有积水。用雷达检测时, 雷达图像上将 显示在围岩与衬砌界面上有一强烈的雷达反射波。 1.5 围岩裂隙
围岩的裂隙发育时, 裂隙内部多形成围岩岩块 坍塌或松散, 且在裂隙内部一般存在有地下水。雷 达图像可以反应出在裂隙部位的岩层不连续性, 雷 达波散射较强, 在积水段, 雷达反射波为高频波并 且呈强吸收特性, 且频率变低。
隧道竣工一年多后, 隧道管理人员发现衬砌出 现了裂缝, 尤其几次暴雨后裂缝发展明显。根据洞 内裂缝观测统计的结果: 路面发生纵、横裂缝自东 向 西 共 44 处 , 拱 墙 及 拱 顶 纵 、 横 裂 缝 72 处 , 洞 身 环向裂缝 26 处。裂缝宽度在 1~9mm, 其中环向与路 面纵向裂缝发展较为突出。 2.2 检测方案
图1 探地雷达工作原理示意
面。在电磁波传播的过程中, 遇到不同的介质或介 质中裂隙或孔隙发育程度不同时, 电磁波的反射系 数、衰减系数、以及反射波频率是不一样的。雷达 天线接收器接收到反射波, 经屏蔽电缆⑦并输送到 控制单元①, 将信号进行显示, 并对电磁反射波所 带信息进行分析, 就可获得被探地层的层厚、介质 完整性以及介质含水量及其分布情况等。 1.1 衬砌结构的检测
混凝土层内的蜂窝状欠实是由于混凝土振捣不 实而造成的施工缺陷, 脱空为初期支护与二次衬砌 之间粘合的不密实, 其间形成小范围的脱落或松散。 利用雷达对该种隧道病害进行检测, 雷达图像中存 有双曲线形状的强散射。根据雷达扫描图像的特征, 可以进一步判定蜂窝存在的范围的大小及其脱空区 存在的范围。 1.4 空洞与回填疏松
0.6
73.2
25.6
-
-
-
5.5
50
42.1
2.4
图4 衬砌质量变化雷达侧线
利用雷达对隧道衬砌进行线测时, 衬砌在雷达
图像中对应的反射波应连续稳定, 而由图 4 可以看
出, 衬砌反射波发生了变化, 变得不连续, 反映隧
道衬砌质量发生了变化。
( 下转第 143 页)
图5 衬砌后空洞
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及 芦 苇 杆 疏 导 等 隔 水 或 排 水 措 施 , 底 部 设 有 15cm× 15cm 预 制 混 凝 土 板 水 沟 进 行 排 水 。 根 据 开 挖 方 式 , 经计算确定一次衬砌厚度在黄土段为 45cm, 泥岩段 为 40cm, 二次衬砌全断面厚度均为 35cm; 衬砌混凝 土均采用 C25 混凝土。
鉴于隧道病害比较严重, 需用地质雷达对隧道 病害彻底检测。根据对隧道病害调查的情况, 制定 了相应检测方案: 根据技术要求, 沿隧道纵向进行 线测, 在整个隧道断面选择布置 7 条测线, 分别是 拱顶 ( 测线 1) 、左右拱肩 ( 测线 2 和 2′) 、左右拱腰 ( 测线 3 和 3′) 、左右边墙 ( 测线 4 和 4′) 。见图 2。
关键词: 探地雷达; 隧道病害; 电磁波
中图分类号: U457+.2
文献标识码: B
1910 年, Letmbach 和 Lǒwv 在德国的一项的专利 中提出, 用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下 相对高导电性质的区域, 正式提出了探地雷达的概 念。1926 年, 德国科学家 Hülosenbeck 提出了应用脉 冲技术确定地下结构的思路, 他指出介电常数不同 的介质的界面会产生反射电磁波。Cook 在 1960 年用 脉冲雷达在矿井中做了试验。20 世纪 70 年代后, 随 着电子技术的发展, 雷达由初期的对冰层进行探测, 扩大到土层、煤层或岩层等有耗介质, 应用范围得 到迅速的扩大。地质雷达自上世纪 70 年代开始应用 至今近 30 多年了, 在解决场地勘查、线路选择、工 程质量检测、病害诊断、超前预报、地质构造研究 等问题上成为一种重要的有效技术手段。在工程物 理领域有多种探测方法, 其中地质雷达具有分辨率 高, 图象直观, 使用方便的特点, 很受工程界信赖 和欢迎。