地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

洪俊

摘 要：為從根本上提升公路隧道工程建設(shè)質(zhì)量，控制隧道襯砌結(jié)構(gòu)后期維護(hù)成本，需要在工程實(shí)際施工過程中，將先進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在隧道襯砌質(zhì)量檢測工作中，確保襯砌結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果與工程實(shí)際施工情況相符。基于此，本文以地質(zhì)雷達(dá)質(zhì)量檢測技術(shù)工作原理為切入點(diǎn)，分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)參數(shù)，提出地質(zhì)雷達(dá)檢測流程以及圖像分析要點(diǎn)，以期為相關(guān)工作人員提供理論性幫助。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);隧道襯砌質(zhì)量;檢測

現(xiàn)階段各類隧道工程建設(shè)規(guī)模日漸擴(kuò)大，對工程施工質(zhì)量及效率的要求更高。襯砌是隧道工程重要組成部分，襯砌結(jié)構(gòu)施工水平可直接影響到工程建設(shè)期間的綜合效益。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道襯砌施工期間的質(zhì)量問題，制定出專項(xiàng)可行的質(zhì)量管控機(jī)制，需要配合使用更為先進(jìn)的地質(zhì)雷達(dá)質(zhì)量檢測技術(shù)，獲取到更加全面精準(zhǔn)的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)及施工方案，確保隧道工程施工工作始終處于全面管控狀態(tài)。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)主要就是對地下或不可見物體進(jìn)行定位電磁技術(shù)，主要通過寬帶時(shí)域發(fā)射天線，向地下發(fā)射高頻窄脈沖電磁波[1]。由于電磁波在地下傳輸期間會(huì)遇到不同電性介質(zhì)界面而發(fā)生反射，由接收天線接收介質(zhì)反射的回波信息。

利用雷達(dá)天線向混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)射電磁波，由于空氣、混凝土、鋼筋或孔洞等介電常數(shù)不同，波頻在不同介質(zhì)交界處發(fā)生反射，由混凝土表面天線接收，依照發(fā)射電磁波至反射返回的時(shí)間差與混凝土微波傳輸速度，判斷反射體距表面距離，用于檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋分布、混凝土厚度及缺陷位置。

因隧道工程混凝土層狀結(jié)構(gòu)與介電常數(shù)存在明顯差異，形成良好的電磁波反射界面，使隧道工程質(zhì)量問題能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測參數(shù)

地質(zhì)雷達(dá)檢測參數(shù)的設(shè)置水平可直接影響到隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果精準(zhǔn)度及全面性。在襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測過程中，實(shí)際檢測參數(shù)主要分為天線中心頻率、發(fā)射天線與接收天線間距、測量時(shí)窗、采樣頻率以及測點(diǎn)點(diǎn)距。

其中，在天線中心頻率選擇過程中。需要結(jié)合隧道襯砌結(jié)構(gòu)探測目標(biāo)深度，收集空間分辨率與結(jié)構(gòu)物的介電常數(shù)[2];在時(shí)窗選擇過程中，需要明確隧道襯砌結(jié)構(gòu)探測深度、介質(zhì)中電磁波傳播速度等參數(shù)數(shù)值;在采樣頻率選擇期間，需要注重記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。依照采樣定律標(biāo)準(zhǔn)，要求地質(zhì)雷達(dá)采樣頻率至少為天線中心頻率的三倍。為從根本上保障記錄波形的完整性，建議在隧道襯砌檢測過程中，將采樣頻率設(shè)置為中心頻率的六倍。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)地質(zhì)雷達(dá)檢測流程

3.1 測線布置

在檢測隧道襯砌結(jié)構(gòu)前，需要沿隧道拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻處分別布置測線，在特殊部位檢測時(shí)，需要注重布置特殊測線，以從根本上提升檢測結(jié)果質(zhì)量水平。

在布置測線過程中，需要注重收集工程施工現(xiàn)場地質(zhì)條件及水文特征等資料，避免測線與地面噪聲源過近，導(dǎo)致測量結(jié)果的全面性及精準(zhǔn)度下降等問題出現(xiàn)。同時(shí)，剖面線的布置工作還需要符合測區(qū)實(shí)際要求，最大限度控制實(shí)際測量工作量，從根本上提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測效率。

3.2 里程標(biāo)定

在使用地質(zhì)雷達(dá)質(zhì)量檢測技術(shù)過程中，還需要做好里程標(biāo)定工作。在雷達(dá)天線檢測襯砌結(jié)構(gòu)剖面時(shí)，主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)為連續(xù)平滑的彩色圖譜，由雷達(dá)設(shè)施在圖譜上標(biāo)定實(shí)際檢測位置[3]。為從根本上保障地質(zhì)雷達(dá)質(zhì)量檢測結(jié)果，還需要在檢測前做好隧道里程標(biāo)識(shí)工作。由隧道進(jìn)口處開始，每隔5米用紅色油漆在隧道邊墻做出標(biāo)志。

在實(shí)際檢測過程中，天線掃描過標(biāo)識(shí)后，可以借助連接在主機(jī)上的端口打點(diǎn)器進(jìn)行打點(diǎn)，要求打點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)明確標(biāo)注在對應(yīng)圖譜上，確保在數(shù)據(jù)處理期間，相關(guān)工作人員能夠依照圖譜內(nèi)部檢測點(diǎn)位置，快速找尋到襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題發(fā)生區(qū)域。

4 隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)地質(zhì)雷達(dá)質(zhì)量檢測圖像分析

在隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測量過程中，地質(zhì)雷達(dá)圖像的變化規(guī)律難以確定。在地質(zhì)雷達(dá)圖像判別期間，需要依照實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行統(tǒng)一分析，通過相應(yīng)的波形圖像特征，評估襯砌結(jié)構(gòu)綜合施工質(zhì)量。由于地質(zhì)雷達(dá)屬于無損檢測技術(shù)，能夠在不破壞隧道襯砌結(jié)構(gòu)的情況下獲取各類技術(shù)參數(shù)，對雷達(dá)圖像異常情況進(jìn)行及時(shí)判斷，發(fā)現(xiàn)并解決襯砌結(jié)構(gòu)施工期間存在的各類質(zhì)量問題。

4.1 襯砌界面圖像分析

隧道工程混凝土襯砌結(jié)構(gòu)、混凝土噴射、圍巖結(jié)構(gòu)之間的介電常數(shù)存在較大差異[4]。在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)過程中，彩色圖譜上襯砌結(jié)構(gòu)底面與圍巖結(jié)構(gòu)存在明顯界限。由于圍巖結(jié)構(gòu)的開挖面尺寸不均勻，襯砌結(jié)構(gòu)的界面通常呈現(xiàn)起伏曲線。

4.2 拱架與鋼筋網(wǎng)圖像分析

由于金屬的介質(zhì)常數(shù)小，對地質(zhì)雷達(dá)波的反應(yīng)十分敏感，鋼筋則對電磁波產(chǎn)生連續(xù)點(diǎn)狀強(qiáng)反射信號(hào)。

當(dāng)電磁波在混凝土中遇到鋼筋格柵拱架和鋼拱架時(shí)，雷達(dá)剖面會(huì)表現(xiàn)出垂直強(qiáng)反射信號(hào)特征。如果鋼筋與混凝土的粘結(jié)效果不好，存在縫隙，雷達(dá)波會(huì)從鋼筋表面反射，在空氣縫隙中來回振蕩，形成多次波。

多次波會(huì)對信號(hào)有一定的干擾，但反射信號(hào)得到了加強(qiáng)，便于鋼筋網(wǎng)辨認(rèn)。通過研究發(fā)現(xiàn)鋼筋反射鏈中，鋼筋實(shí)際埋深數(shù)值為第1個(gè)反射信號(hào)弧面頂部。

4.3 空洞問題圖像分析

襯砌與圍巖結(jié)構(gòu)存在明顯空隙情況下，由于混凝土、圍巖結(jié)構(gòu)及空氣電性差異較大，使電磁波在混凝土、空氣、圍巖結(jié)構(gòu)傳播過程中，圖像上下界面產(chǎn)生兩次強(qiáng)反射，且雷達(dá)剖面圖上會(huì)呈現(xiàn)一組開口向下的雙曲線。

4.4 不密實(shí)體圖像分析

在隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)回填密實(shí)度不足的情況下，多個(gè)界面會(huì)對電磁波產(chǎn)生多次反射[5]。

在地質(zhì)雷達(dá)圖像上不密實(shí)混凝土?xí)尸F(xiàn)波形雜亂，相同軸錯(cuò)亂等問題。若雷達(dá)剖面圖顯示雜亂不連續(xù)的強(qiáng)反射能量團(tuán)塊狀異常，證明襯砌結(jié)構(gòu)的回填不密實(shí)。

襯砌層與回填層密實(shí)度良好的情況下，雷達(dá)波形較為平穩(wěn)。反之雷達(dá)波形起伏較大。襯砌背后混凝土不密實(shí)波形與正常波形的區(qū)別更為顯著。

4.5 地下水圖像分析

在隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中，遇到的地下水通常為巖體裂縫地下水、節(jié)理向隧道滲流地下水。水體與圍巖介質(zhì)之間的介電常數(shù)存在較大差異。其中，水體的相對介質(zhì)常數(shù)最大為81。當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)含水量較大時(shí)介質(zhì)常數(shù)隨之增大，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度明顯降低，反射波表現(xiàn)出較強(qiáng)的正峰異常和強(qiáng)反射現(xiàn)象。在電磁波繞射、散射時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)波形紊亂問題。

因此為降低地下水對隧道襯砌施工質(zhì)量造成的不利影響，相關(guān)工作人員需要結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)勘測圖像，判斷地下水位置以及巖體結(jié)構(gòu)的實(shí)際含水量，對施工方案進(jìn)行不斷優(yōu)化及完善，從根本上保障工程整體施工質(zhì)量。

5 總結(jié)

隨地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在公路隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，襯砌結(jié)構(gòu)施工與運(yùn)營期間存在的各類質(zhì)量問題，能夠被更加及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對從根本上提升公路隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)施工水平意義重大。為充分發(fā)揮出地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用期間的綜合效益，相關(guān)管理部門還需將當(dāng)前工作重點(diǎn)放置在構(gòu)建起一支高素質(zhì)襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測隊(duì)伍上，定期在檢測工作人員中開展技術(shù)培訓(xùn)活動(dòng)，確保其能夠高效運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測設(shè)備，從根本上提高檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度及全面性。

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