隧道仰拱GPR无损检测实例分析

2012-09-18樊甫胜陈志文杨正云

物探化探计算技术 2012年3期

关键词：同相轴仰拱探地

樊甫胜，陈志文，杨正云

（1.成都理工大学管理科学学院，四川成都 610059；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

隧道仰拱GPR无损检测实例分析

樊甫胜1，陈志文1，杨正云2

（1.成都理工大学管理科学学院，四川成都 610059；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

这里基于某铁路隧道仰拱400MHz天线探地雷达的实际采集数据，采用Radan7软件处理方法所检测的缺陷结果，与施工单位及相关质量控制单位所组织的破检验证完全相符。通过对检测缺陷展开全面分析与解释，为隧道缺陷检测提供了依据和方法，将其应用于该工区后续隧道施工和隧道缺陷的检测处理与解释，具有重要的现实指导意义。

探地雷达；无损检测；隧道仰拱；数据处理

0 前言

近年来，随着我国高速铁路以及高等级公路建设项目的迅猛增长，隧道衬砌质量无损检测作为隧道施工过程中的一个重要的施工环节，已经成为规范隧道施工、保证隧道施工质量的至关重要的手段。探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法以其经济、无损、快速、直观、抗干扰强、分辨率高、操作方便、可实现连续测量等特点，被广泛应用于隧道衬砌质量检测中，成为隧道衬砌质量无损检测中最重要、最有效的手段之一［1］。隧道衬砌质量无损检测内容主要包括二衬、初支和仰拱。仰拱相对于二次衬砌和初期支护来说，具有较厚及有混凝土浇筑成的仰拱填充。在仰拱检测时，对天线的参数和解释处理具有其独特性。作者在本文主要研究的是对仰拱缺陷的检测和缺陷的判断。在实际的工程中，由于工作量大和工程进度的要求，使得某些里程段的仰拱在浇筑时存在填充不密实，脱空或者厚度不足的情况。这样对仰拱检测和缺陷的后期处理，以及对后期确保工程质量都具有重要意义。

1 探测原理［2、3］

探地雷达方法利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收由地下不同介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形，将随所通过介质的电性质（如介电常数εr）及几何形态的变化而变化，其测试原理和基本组成如图1所示。

作者根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息，可判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态

式中 t为脉冲波走时（ns）；h为目标深度（m）；x为发射天线与接收天线的距离（m）；v为电磁波波速（m/ns）。

常见的介质为非磁介质，在探地雷达的频率范围内，一般有（σ/ωεr）1。

图1 地质雷达探测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of detection principle of GPR

式中光速c＝0.3m/ns；εr为介质相对介电常数。

当发射天线和接收天线相距很近时，检测目标深度的计算公式为：h＝（t/2）·v。

目前常用的时域地质雷达测试方法有剖面法、宽角法、环形法、多天线法等。作者在探测数据时采用剖面法，并结合多次覆盖技术进行测试。

剖面法的测试结果可以用地质雷达时间剖面图像表示，其横坐标记录了天线在地表（或衬砌面）的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发，经过地下界面反射回到接收天线所需要的时间。这种记录能够准确描述测线下方地下各反射界面的形态。

2 实例分析

2.1 数据采集

某隧道地处青海省境内，起讫里程：DKX＋098－DKX＋503，为双线隧道。隧道里程DKX＋186.5－188.5和DKX＋220.5－224仰拱出现裂缝，为了确定引起裂缝的原因，作者应用GSSI探地雷达对这两段进行检测，检测内容为仰拱回填密实度，内部缺陷状况及规模大小。

（1）测线布置［5］。在对具体缺陷进行检测时，首先应确定测区，根据被测目标体的大小规模，一般采用网格布线。根据被测目标的水平尺度及要求的水平分辨率确定侧线的间距，侧线间距应小于或等于目标尺度与分辨率，以防漏测。由于本次检测是对仰拱右边测线发现裂缝的位置进行检测，故对检测的位置进行网格布线，具体测线布线位置如图2所示。

（2）天线中心频率的确定。天线中心频率的选择需要兼顾目标深度、目标最小尺度，以及天线尺寸是否符合场地的要求等。在实际检测的过程中，天线的中心频率在满足分辨率和场地条件时，应尽量采用中心频率低的天线。由于该隧道仰拱的厚度在1.8m～2m左右，故本次检测采用400MHz天线。

（3）时窗选择。采样时窗大小取决于最大探测深度hmax（m）与介质电磁波传播速度v（m/ns）。由于hmax和v的变化，选择采样时窗应预留出30%以上的余量。采样时窗w（ns）可以由w估算出来：w＝1.3 hmax/v。根据该检测段仰拱的最大厚度hmax及电磁波在混凝土中的传播速度v，选取时窗w＝45ns。

图2 仰拱检测测线布置示意图Fig.2 The schematic diagram of tunnel invert testing line layout

（4）扫描样点数（Samples/scan）。扫描样点数指每道波形的采样点数。一般的仪器有128、256 512、1 024、2 048五种采样点供选择。为了保证在一定频率下每个波形至少有10个采样点，扫描点数应满足：扫描样点数≥10时窗长度（ns＝10－9×天线频率（MHz＝106），故本次检测是扫描点数取1 024。

（5）扫描速率（Scans/s）。扫描速率为每秒扫描采集的扫描线记录数，扫描速率大时扫描线密集，可提高天线的移动速度。扫描速率确定后，根据探测目标体尺度决定天线的移动速度，估算移动速度的原则是要保证在最小的探测目标内，至少有20条扫描线：移动速度（cm/s）≤扫描速率（Scans/s）×最小探测目标尺度（cm/Scan），由此确定本次检测扫描速率为70Scans/s。

（6）增益点数。增益点数的作用是使用扫描记录线上不同时段有不同的放大倍数，使各时段的信号都能清晰的显示，尤其是使用反射信号强度达到满度的60%左右。本次检测采用5个增益点。

2.2 数据处理与解释

（1）数据处理。数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰波，最大限度地提高雷达剖面的信噪比，提取电磁回波各种有用参数，用来解释不同介质的物理特征。数据处理的另一目的是将数据元素重置，以补偿由于来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变（如偏移处理等）。在实际处理中，可以根据所采集原始数据的好坏增加或者减少处理步骤。通过对现场已知厚度混凝土实际测量，计算出本隧道衬砌混凝土介电常数约为6.5，电磁波速度为0.12m/ns。数据处理可按图3探地雷达数据处理一般流程进行。检测发现的明显缺陷雷达剖面图如图4所示。

图3 探地雷达数据处理一般流程图Fig.3 GPR data processing flow chart

（2）缺陷解释。对雷达剖面图像进行解释的基础是提取反射目标，只要被测介质中存在电性差异，可以在雷达剖面中找到相应的反射波，根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波的相同相位“连接”起来形成“同相轴”。在均匀无异常区域：同一组波的相位特征，即波峰、波谷的位置基本不变或者变化很缓慢；在水平电性分界层，产生的反射波组往往有一组光滑平行的同相轴与之对应；由于雷达记录的点距与介质的变化相位相比要小得多，因此相邻记录道上的同一个反射波组形态的主要特征会保持不变，其反射波组的波形、振幅、周期及包络线形态有一定的特征。根据反射波组的特征，就可以在雷达图像中提取反射层［5］。以c测线DK104＋186横向不密实缺陷图为例进行分析，雷达图像如图5所示。

见图5，对比正常部位的反射波与不正常部位的反射波的波形图，可以发现：在离仰拱表面0cm～43cm的范围内，反射波的振幅及相位基本相同；在43cm～125cm的范围内，两道反射波的相位发生反向，并且随着距离的增加，不正常部位反射波的振幅是正常部位反射波振幅的2～3倍，高频波丰富，这说明在该范围内，介质的介电常数发生了明显变化；当距离超过125cm之后，两道反射波的振幅及相位回归正常。

在43cm～125cm的范围内，带状绕射发育，出现很强的杂波，同相轴不连续。作者由此对其它缺陷图做同样的处理分析，得到结论：①f测线DK104＋186.5－188.5：平均深度0.52m、面积1.12m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；②g测线DK104＋188.5－186.5：平均深度0.52m、面积1.12m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；③c测线DK104＋186横向：平均深度0.43m、面积1.77m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；④d测线DK104＋187横向：平均深度0.46m、面积1.24m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；⑤p测线DK104＋224－220.5：平均深度0.72m、面积1.4m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；⑥q测线DK104＋220.5－224：平均深度为0.53m、面积1.75m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；⑦m测线DK104＋222横向：平均深度0.55m、面积1.75m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续；⑧n测线DK104＋224横向：平均深度0.58m、面积1.62m2的带状长条形分布范围内绕射发育，出现强反射杂波，同相轴不连续。上述特征表明：局部范围内混凝土填充不均匀，胶结密实度差。

综上所述，隧道进口共计检测完成86延米，检测发现仰拱右侧测线存在DKX＋186.5－188.5和DKX＋220.5－224不密实缺陷。其中，DKX＋186.5－188.5缺陷：纵向长度2m，横向长度2.3m，深度0.52m，水平面积4.6m；DKX＋220.5－224缺陷：纵向长度3.5m，横向长度2.5m，深度0.53m，水平面积8.75m。这里纵向即为沿隧道进向方向，横向即为垂直于隧道进向方向。检测结果如表1所示。

为验证上述处理解释成果，施工单位及相关质量控制单位对所检测的缺陷区域组织了破检验证。其结果为：在DKX＋186.5－188里程段长2.3m、宽2m的矩形范围内做了三处钻孔验证，发现离仰拱表面0.52m～1.2m的范围内出现蜂窝状填充且有细小裂纹；在DKX＋220.5－224里程段长3.5m、宽2.5m的矩形范围内做了三处钻孔验证，发现离仰拱表面0.53m～1.28m的范围内出现蜂窝状填充且有细小裂纹见下页表2。

表1 隧道仰拱缺陷统计表Tab.1 Statistical list of X tunnel invert defect

表2 破检结果统计表Tab.2 Statistical list of destructive testing

3 结论

仰拱检测对探测深度有较高的要求，并且要有较高的分辨率，在用探地雷达400MHz的天线进行检测时，采用Radan7软件对采集数据进行处理。施工单位及相关质量控制单位通过对所检测的缺陷组织破检验证，结果完全相符，证明数据采集与处理、解释方法是正确、有效的。施工单位对存在缺陷的位置进行了注浆处理，有效地保证了隧道的质量。

作者在本文所述隧道缺陷检测的依据和方法，已经应用到该工区后续隧道施工和隧道缺陷的检测处理与解释中，具有重要的现实指导意义。

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