地質(zhì)雷達隧道襯砌缺陷探測精度研究

張行道,節(jié)金浦

(1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津市 300300; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室 西安市 710055;3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 西安市 710055)

地質(zhì)雷達法在國內(nèi)已經(jīng)成為隧道襯砌檢測的主要手段,一般的地質(zhì)雷達由發(fā)射天線、接收天線和雷達終端組成,其檢測形式簡單,快速,直觀。但在實際工程中發(fā)現(xiàn),檢測過程中會出現(xiàn)許多對分析處理無用的原始數(shù)據(jù),影響對隧道襯砌缺陷的判斷。將檢測后得到的數(shù)據(jù)進行正確的分析處理,對找到隧道襯砌缺陷發(fā)生的規(guī)律尤為重要。地質(zhì)雷達檢測法主要適用于公路、鐵路交通的地下隧道,在檢測完成之后,將采集的數(shù)據(jù)進行分析處理,并以此找到隧道襯砌缺陷的位置,然后對檢測數(shù)據(jù)的可靠性和精確度進行鉆孔驗證。事實上,很多因素都會影響地質(zhì)雷達探測精度,包括現(xiàn)場采集方式、隧道內(nèi)現(xiàn)場檢測環(huán)境、數(shù)據(jù)處理等?；谒淼酪r砌缺陷檢測的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)分析處理等方面,討論通過地質(zhì)雷達對隧道襯砌厚度檢測數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析、襯砌脫空缺陷分界面和鋼性信號分界面的拾取調(diào)整,提升整體數(shù)據(jù)檢測精準度,并給出了相應(yīng)建議。

1 提高隧道襯砌厚度的檢測精度

對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來說,隧道襯砌厚度問題所產(chǎn)生的影響是不可忽視的。如襯砌不密實、含有空洞等襯砌厚度問題直接影響到隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。利用地質(zhì)雷達對隧道襯砌檢測,影響最終厚度取值的最大因素就是雷達圖像數(shù)據(jù)后處理人員對首波拾取的理解差異性。然而這樣的辨別差異很依賴于處理人員的實踐經(jīng)驗,會導(dǎo)致地質(zhì)雷達檢測值和鉆孔檢驗的實際值差距甚大,造成的誤差降低整體檢測數(shù)據(jù)的精準度。張家鳴[1]在隧道襯砌厚度檢測中,為提高采用波速的精度,采用平均波速法。該方法對控制測量誤差很有效果,但其精確度受到檢測波速樣本容量的影響。趙元科[2]通過電磁波反射理論對地質(zhì)雷達表面波拾取進行理論上的驗證,但標定波速不合理,并且未考慮到實際檢測過程中襯砌表面平整度等因素的影響。電磁波穿過空氣、混凝土等不同的介質(zhì)時,會由于介質(zhì)介電常數(shù)的差異而發(fā)生反射和折射。當探測介質(zhì)存在介電差異時,入射電磁波服從斯涅爾反射定律:

(1)

式中:n為兩介質(zhì)界面的反射率;α和β分別是相應(yīng)介質(zhì)的介電常數(shù);θu和θv分別是雷達電磁波的入射角和折射角。當電磁波穿過不同的介質(zhì)時,產(chǎn)生反射現(xiàn)象,其反射系數(shù)Re可由式(2)計算得出:

(2)

在實際檢測中,取混凝土介電常數(shù)α=8時的波速,即1.06×108m/s為平均波速。取為同一測線上面的10個首波信號位置數(shù)據(jù),如表1所示。并計算這10個首波信號數(shù)據(jù)的平均誤差值,平均誤差值和最大、最小誤差值統(tǒng)一對比,得到首波反射位置與誤差距離關(guān)系,如圖1所示。分析圖1中的數(shù)據(jù),無論首波信號位置值取最大或最小,都無法保證誤差距離得到有效控制。而以這樣具有離散性的數(shù)據(jù)來評判隧道襯砌厚度,容易引起誤判,導(dǎo)致理論評判結(jié)果和實際隧道襯砌厚度有不可忽視的差異。當以由相同測線的首波信號平均值作為評判依據(jù)時,從圖1的誤差距離數(shù)值對比來看,在去掉離散性大且不具有普遍性的8號數(shù)據(jù)之后,誤差值基本控制在0.02m之內(nèi),對于隧道二次襯砌檢測來說,這個誤差值基本處于正常誤差范圍之內(nèi)。從數(shù)據(jù)離散性來說,一方面降低了隧道襯砌支護表面的粗糙性影響,這種處理方式會使理論分析和之后的實際檢驗有很好的契合。

圖1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料柱線圖

表1 首波信號位置表

2 提高隧道襯砌缺陷的檢測精度

2.1 脫空缺陷分界面的確定

脫空是襯砌進行澆筑的時候由于各種施工條件影響所產(chǎn)生的缺陷,內(nèi)部主要成分為空氣和混凝土。隧道空洞病害主要發(fā)生在初期支護與圍巖之間、二次襯砌與初期支護之間,隧道二次襯砌的脫空位置容易集中在隧道拱頂部位[3]。而襯砌背后空洞會對二次襯砌的受力狀態(tài)和圍巖應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響,不加以處理會造成嚴重的危害。所以檢測之后,會利用得到的結(jié)果判斷出的襯砌缺陷位置并加以處理。然而,在數(shù)據(jù)處理中,多次對襯砌空洞缺陷反射層進行不合邏輯的拾取操作會導(dǎo)致對缺陷位置的錯誤預(yù)測。

趙元科[2]對隧道二次襯砌檢測精度影響因素進行探討,根據(jù)隧道襯砌缺陷圖像的形態(tài)對反射層拾取提出相應(yīng)建議,但并未提出判定襯砌空洞具體反射層位置的方法。當界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁性差異比較大時,電磁波在其界面的反射幅度越大,而電磁波從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)會在介質(zhì)分界面產(chǎn)生正反射。所以電磁波從混凝土(相對介電常數(shù)為6.4)進入空氣(相對介電常數(shù)為1.0),界面也會產(chǎn)生正反射。圖2所示為400MHz襯砌脫空缺陷的雷達圖像,反映到雷達圖像上為正的強反射[4],即為圖2中的“白色亮紋”?！鞍咨良y”與“黑色暗紋”之間相差λ/2,這個信息可以幫助解譯人員更精確地判定脫空位置。在介質(zhì)反射層拾取時,要以理論為依據(jù);若出現(xiàn)因雷達圖像分辨率不高而導(dǎo)致缺陷信號失真的情況,一定要先對雷達圖像進行數(shù)據(jù)處理后再進行缺陷分界面信號拾取,可以提高檢測缺陷位置的準確性。

圖2 400MHz襯砌脫空缺陷雷達圖像

2.2 襯砌中鋼性信號分界面的拾取優(yōu)化

鋼性介質(zhì)的介電常數(shù)ε呈現(xiàn)為無窮大,圖3模擬了電磁波在傳播中遇到鋼筋而產(chǎn)生反射的形成過程。對于圍巖情況相對不好的隧道,一般在澆筑初襯時采用設(shè)置鋼拱架和鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)的方式作為支護措施,所以隧道襯砌中存在鋼反射信號主要有鋼筋拱架和鋼筋網(wǎng),其中鋼筋拱架支護會根據(jù)圍巖等級和施工方案分為格柵拱架和工字鋼拱架兩種形式。電磁波對鋼筋網(wǎng)的反射圖像如圖4(a)所示,反映在雷達圖像界面上為分布密集的鋸齒狀強反射信號,連續(xù)貫穿整條圖像。電磁波對鋼拱架的反射圖像如圖4(b)所示,反映在雷達圖像界面上為連續(xù)月牙狀的反射信號。從圖4(a)和圖4(b)中可以看出鋼筋網(wǎng)、鋼拱架的界面與混凝土接觸明顯出現(xiàn)負的強反射。

圖3 模擬鋼反射信號形成過程

圖4 鋼性缺陷信號拾取位置圖

以鋼性信號分界面的位置可以比較直觀地預(yù)估鋼筋保護層厚度,有利于評估鋼筋保護層厚度不足和露筋等缺陷情況。由大量檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知,當以圖像圓弧的最高點為鋼性分界面信號進行拾取時,最接近襯砌內(nèi)部實際情況,以這種鋼筋保護層厚度最小值為評估標準,也有利于后期的缺陷處理。

2.3 雷達天線對襯砌缺陷檢測精度的影響分析

雷達終端計算機顯示出來的信號強度范圍大約為10～20dB,而GPR系統(tǒng)的動態(tài)范圍至少為60dB[5]。在檢測過程中,只有部分信息才能在終端顯示器呈現(xiàn)出來,而要根據(jù)這些部分信息來提取有效的數(shù)據(jù)才能確定隧道襯砌缺陷的具體物理特征。根據(jù)雷達天線對信號強度的影響,提出以下建議:

(1)根據(jù)現(xiàn)場具體工況和探測精度、深度的要求,選取相應(yīng)匹配的雷達天線。信號頻率越高,能量信號衰減越大,探測深度較淺,接收到的信號能量也就越小。頻率低的天線,精度相對較低,能量信號衰減較慢,探測深度較深。因此天線的選擇應(yīng)根據(jù)探測的深度與精度來確定。一般來說,隧道襯砌檢測常用的是400～900MHz的天線。

(2)采集數(shù)據(jù)時,天線應(yīng)該與襯砌表面一直接觸良好,以保證天線移動過程中的穩(wěn)定性和移動速率的均勻,減少不必要的中斷。并且盡量降低發(fā)射天線和接收天線的耦合,過程中產(chǎn)生的不可避免的停頓也要做好準確記錄。

3 地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌缺陷的建議

3.1 現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的要求

由于隧道內(nèi)檢測現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和圍巖級別的不同,數(shù)據(jù)采集方式也不同。III類圍巖一般按時間方式采集。盡量采集仰拱及部位,觀察仰拱內(nèi)有無虛渣,邊墻有無過開挖或欠開挖;Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖都使用測距輪采集方式,前者重點對隧道拱部進行采集,后者要對襯砌全環(huán)各個部位都進行采集,目的是為了得到拱頂及拱腰脫空情況和襯砌厚度情況,以及襯砌內(nèi)部鋼筋網(wǎng)及鋼拱架分布位置。

現(xiàn)場采集的初始數(shù)據(jù)對判別隧道襯砌缺陷的物理特征影響很大。數(shù)據(jù)采集時,使用時間采集方式很容易被現(xiàn)場環(huán)境條件所影響,不能保證天線移動時的平穩(wěn)性,得到的初始雜亂數(shù)據(jù)不利于數(shù)據(jù)后處理。采集過程中也要保證實時監(jiān)控終端上的數(shù)據(jù),若發(fā)現(xiàn)有圖像失真、零點位置嚴重偏移和不可預(yù)期的突發(fā)情況應(yīng)停止檢測,同時對情況進行記錄。尤其注意天線接口處的連接情況,保證檢測數(shù)據(jù)的真實有效性。

3.2 采集檢測數(shù)據(jù)后處理

結(jié)合檢測隧道襯砌雷達圖像,要對圖像中代表的相應(yīng)的物理特征進行解譯分析。對電磁波的波長、強度、相位變化和振幅區(qū)的頻率等分析解釋。利用地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理軟件對采集的數(shù)據(jù)后處理是能直觀呈現(xiàn)出檢測數(shù)據(jù)好壞。雷達的數(shù)據(jù)處理過程就是篩選有效信號和過濾無用的信號,在拾取的過程中需要對無用信號進行刪除過濾、降低噪聲影響、提高信噪比等,能夠壓制無用的干擾信號對有效信號的影響,從而提高檢測數(shù)據(jù)的利用性。操作地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理軟件通常是對雷達圖像數(shù)據(jù)采取二維濾波、一維濾波、增益調(diào)節(jié)、反褶積處理等方式,達到提高雷達圖像信號強度的效果,實現(xiàn)精準判斷襯砌脫空位置及鋼拱架、鋼筋網(wǎng)位置的目的。

4 結(jié)論

(1)隧道襯砌結(jié)構(gòu)中存在襯砌厚度不足、襯砌背后存在空洞、二次襯砌背后脫空等缺陷,會對隧道襯砌的安全性產(chǎn)生很大隱患。所以利用地質(zhì)雷達法檢測隧道襯砌缺陷,通過提高隧道襯砌厚度檢測精度和地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理軟件對雷達圖像脫空缺陷分界面、鋼信號的精準拾取,能夠更好地了解隧道襯砌的結(jié)構(gòu)。

(2)隧道襯砌相關(guān)數(shù)據(jù)采集過程、地質(zhì)雷達天線的選擇、操作細節(jié)的處理等都會對檢測出來的雷達圖像造成影響。為保證雷達圖像的清晰度,就必須重視檢測過程中的相關(guān)操作。而對于分辨率較低的雷達圖像,一定要對雷達圖像進行數(shù)據(jù)后處理,能夠有效增強圖像分辨率,更精準地判斷隧道襯砌缺陷的物理特征。