隧道病害检测中探地雷达技术的应用

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参考文献:
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
技术论坛
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



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

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。