探地雷達技術在鐵路隧道監測中的應用

梁 湛 梁煥周 江 林

(1. 國家海洋局南海調查技術中心, 廣東 廣州 510300; 2. 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室, 廣東 廣州 510300; 3. 交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心, 廣東 廣州 510300)

0 引言

由于鄰近運營鐵路隧道施工,可能引起既有鐵路隧道結構應力發生變化[1],產生位移。若發生變形,可致使襯砌結構位移過大,導致混凝土局部應力過大,產生損傷,甚至掉塊。這類病害將會極大地影響結構及行車安全性,因此必須在施工期和施工后一段時期內對隧道結構變形進行監控測量,把新建工程引起的一系列隧道動態變化信息及時反饋到業主及相關單位,用以評定該工程在施工期間的周邊運營鐵路的影響[2-3],并對可能發生的危及運營鐵路安全的隱患或事故及時、準確地預報,使之能夠在現場及時調整施工參數,優化和改進施工方法,確保既有鐵路設備的安全[4]。為了監測鐵路隧道周邊基坑開挖對鐵路隧道的影響,工程上常采用測量技術進行點位變形監測,獲取所測點位在監測期內的變形情況,但是無法獲得監測期內隧道內部的變化。本文將探地雷達監測技術應用于鐵路隧道監測,對鐵路隧道進行數據采集,獲得隧道內部結構體的狀態和變化,通過研判和分析,獲取隧道的安全狀態,為運營期間了解隧道提供數據支撐,為隧道的維護、技術改造決策提供更加科學的參考。

1 探地雷達技術

探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)又稱地質雷達,是用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種方法。利用探地雷達發射高頻脈沖電磁波,測試目標體空間位置和分布。同時,探地雷達可以對目標體內部的構造和缺陷進行測試[5],因此探地雷達可用于檢測各種材料的組成,如巖石、泥土、礫石,以及人造材料如混凝土、磚、瀝青等,可確定金屬或非金屬及其他地下埋件的位置。探地雷達具有實時數據處理和信號增強的特性,可進行連續透視掃描,現場實時顯示二維黑白或彩色圖像[6-7]。探地雷達工作示意圖見圖1。由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征,再通過信號技術處理,形成全斷面的掃描圖,工程技術人員通過對雷達圖像的判讀,判斷出地下目標物的實際結構情況[8]。探地雷達工作原理見圖2。

圖1 探地雷達工作示意圖

圖2 探地雷達工作原理

探地雷達基本參數如下:

(1)電磁脈沖波旅行時間

(1)

式(1)中,z表示目標體的埋深;x表示發射、接收天線的距離;v表示電磁波在介質中的傳播速度。

(2)電磁波在介質中的傳播速度

(2)

式(2)中,c表示電磁波在真空中的傳播速度;εr表示介質的相對介電常數,μr表示介質的相對磁導率。

(3)電磁波的反射系數

在介質傳播過程中,電磁波遇到相對介電常數明顯變化時,電磁波將產生反射及透射現象。主要與電磁波反射系數r有關:

(3)

式(3)中,r表示界面電磁波反射系數;ε1表示第一層介質的相對介電常數;ε2表示第二層介質的相對介電常數。

(4)探地雷達記錄時間和勘查深度的關系

(4)

式(4)中,z表示勘查目標體的深度;t表示雷達記錄時間。

2 隧道探測

2.1 參數設置

隧道監測分為施工準備期、施工過程及工后監測,隧道無損檢測需在施工前和施工后各進行一次,主要監測隧道襯砌變形、襯砌裂縫,以及隧道上方地表沉降等受跨越工程影響須監測的相關內容。根據《鐵路工程物理勘探規程》(TB 10013—2004)的規定,隧道襯砌及病害測試時宜選用與測試精度要求相對應的中、高頻天線,頻率范圍為400～900 MHz[9]。結合現場測試精度和深度,選用MALA ProEx型探地雷達。由于需要直接接觸檢測部位,因此選用空氣耦合500 MHz屏蔽天線。不同頻率天線的測深能力不同,頻率高的分辨率會提高,但測試深度會變淺,反之,頻率低的分辨率低,測試深度深[10]。探地雷達其他測試參數設置如下:7 500 MHz采樣頻率,1 054采樣點,500 MHz屏蔽天線,140 ns采集時窗,自動疊加8次,縱向測試時采樣間隔為0.02 m,有效測試深度為7 m,距離觸發測試方式,測試精度和深度可滿足工程要求[11]。

2.2 檢測過程

(1)縱向布線采用連續測量方式,特殊地段或條件不允許時,可采用點測方式,測量點距不宜大于200 mm,測線每5～10 m應有里程標記。

(2)環向測線采用連續方式檢測;也可采用點測方式,每道測線不小于20個測點。

(3)介質常數標定:在洞口、洞內或避車洞位置使用雙天線直達波法測量。

(4)時窗長度確定:根據探測深度和介質速度估算時窗長度,包括理論計算法、實用經驗法。對拱墻襯砌混凝土時窗長度一般控制在30～60 ns;對仰拱襯砌混凝土時窗長度一般控制在60～100 ns。

(5)采樣率或采樣間隔根據儀器性能和要求設置,某些型號儀器無須設置,而是由儀器自動設置,或需設置檢測時域內的采樣點數,襯砌厚度檢測時單道信號不宜小于512個采樣點。

(6)數據位數設置為8位或16位即可滿足精度要求,宜設置為16位。

(7)濾波器設置

垂直濾波器:①垂直低通:取2～3倍的中心(天線)頻率,如采用400 MHz天線,低通截止頻率宜為800 MHz。②高通截止頻率:如采用400 MHz天線,高通截止頻率宜為100 MHz,高通取1/6～1/4中心(天線)頻率。

水平濾波器:①水平光滑濾波:一般宜設為3(掃描線數量)。此值增加則光滑度增加,小目標從記錄中被濾掉,如果是檢測鋼筋或管道,此值不應大于5,若檢測淺表非常細小的目標(如混凝土中的細鋼筋、電線、鐵絲),就不應使用該濾波器,而將此值設為零。若尋找地基層位,此值宜適當提高,但不得超過20。②水平背景去除濾波:數據采集時,該濾波器一般設為0。

(8)數字疊加次數不宜過大,太大不僅探測運行速率慢,而且抑制噪聲的效果也不太明顯,一般以4～32次為宜。

(9)探測掃描速率與車輛行駛速率(天線移動速率)是相對應的。探測掃描速率一般宜設置為50～100(掃描線/s),其對應的手推行駛速率不宜大于5 km/h,不宜過快,以易于目標識別、分析,在視覺上單位縱向長度內的圖像展布不宜過長或過短。

(10)首波或直達波調試:分自動和手動調試,也包含自動調試找不到信號時的手動調試。現場檢測時必須找到直達波而作為深度起點。

(11)顯示增益設置和調試:最大正負波形幅度宜占調試框寬度的50%～70%,避免反射信號微弱或飽和失真。如在彩色顯示方式下,數據采集時若能在屏幕上辨認出實時顯示的較微弱的反射信號,在后處理軟件中一般可通過增益放大使反射信號變得更清晰可分辨,更易于處理和異常判定。

2.3 監測結果

在隧道內部經常出現脫空、空洞和不密實等現象,因此,上述現象是常見的檢查項目。根據探地雷達掃描隧道實測結果,總結出隧道中各種介質特征下隧道典型的反射圖像特征,見表1。對探測后的數據進行處理,得到隧道雷達反射掃描結果,圖4為部分區域雷達反射掃描圖像,x表示距離。以x=38 274 m為例,0 ns處為鋼筋,5～10 ns處為脫空,15～25 ns處為襯砌混凝土。

表1 隧道反射圖像典型特征

圖3中可見x=382 740 m處隧道表現為明顯的結果不密實、內部產生脫空,圖中x=382 743～382 750區域隧道掃描結果顯示基本正常。根據雷達反射掃描結果,找到x=382 740 m處對應的隧道位置,發現該處隧道底部表現為滲水,并有裂縫產生,可以認為該處隧道脫空引起了滲水,也證明了探測雷達掃描的準確性。

圖3 雷達反射掃描剖面圖

3 結束語

為了監測鐵路隧道鄰近施工對隧道的影響,需要采用技術手段對隧道情況進行監測,探地雷達技術能夠了解隧道內部結構的變化,在檢測鐵路隧道襯砌質方面具有較強的可行性,也是對傳統測量手段較好的補充。本文將探地雷達技術應用于鐵路隧道監測,獲得了有益的結果,為相關工程應用提供了參考。