地質雷達隧道襯砌缺陷探測精度研究

張行道,節金浦

(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 土木工程學院 西安市 710055)

地質雷達法在國內已經成為隧道襯砌檢測的主要手段,一般的地質雷達由發射天線、接收天線和雷達終端組成,其檢測形式簡單,快速,直觀。但在實際工程中發現,檢測過程中會出現許多對分析處理無用的原始數據,影響對隧道襯砌缺陷的判斷。將檢測后得到的數據進行正確的分析處理,對找到隧道襯砌缺陷發生的規律尤為重要。地質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,將采集的數據進行分析處理,并以此找到隧道襯砌缺陷的位置,然后對檢測數據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雷達探測精度,包括現場采集方式、隧道內現場檢測環境、數據處理等。基于隧道襯砌缺陷檢測的現場采集數據和對數據分析處理等方面,討論通過地質雷達對隧道襯砌厚度檢測數據的優化分析、襯砌脫空缺陷分界面和鋼性信號分界面的拾取調整,提升整體數據檢測精準度,并給出了相應建議。

1 提高隧道襯砌厚度的檢測精度

對于隧道襯砌結構穩定性來說,隧道襯砌厚度問題所產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構穩定性。利用地質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據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驗,會導致地質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據的精準度。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時,會由于介質介電常數的差異而發生反射和折射。當探測介質存在介電差異時,入射電磁波服從斯涅爾反射定律:

(1)

式中:n為兩介質界面的反射率;α和β分別是相應介質的介電常數;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時,產生反射現象,其反射系數Re可由式(2)計算得出:

(2)

在實際檢測中,取混凝土介電常數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個首波信號位置數據,如表1所示。并計算這10個首波信號數據的平均誤差值,平均誤差值和最大、最小誤差值統一對比,得到首波反射位置與誤差距離關系,如圖1所示。分析圖1中的數據,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據來評判隧道襯砌厚度,容易引起誤判,導致理論評判結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時,從圖1的誤差距離數值對比來看,在去掉離散性大且不具有普遍性的8號數據之后,誤差值基本控制在0.02m之內,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。從數據離散性來說,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 數據統計資料柱線圖

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生的缺陷,內部主要成分為空氣和混凝土。隧道空洞病害主要發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和圍巖應力狀態產生不利的影響,不加以處理會造成嚴重的危害。所以檢測之后,會利用得到的結果判斷出的襯砌缺陷位置并加以處理。然而,在數據處理中,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致對缺陷位置的錯誤預測。

趙元科[2]對隧道二次襯砌檢測精度影響因素進行探討,根據隧道襯砌缺陷圖像的形態對反射層拾取提出相應建議,但并未提出判定襯砌空洞具體反射層位置的方法。當界面兩側介質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進入光疏介質會在介質分界面產生正反射。所以電磁波從混凝土(相對介電常數為6.4)進入空氣(相對介電常數為1.0),界面也會產生正反射。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”。“白色亮紋”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。在介質反射層拾取時,要以理論為依據;若出現因雷達圖像分辨率不高而導致缺陷信號失真的情況,一定要先對雷達圖像進行數據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化

鋼性介質的介電常數ε呈現為無窮大,圖3模擬了電磁波在傳播中遇到鋼筋而產生反射的形成過程。對于圍巖情況相對不好的隧道,一般在澆筑初襯時采用設置鋼拱架和鋪設鋼筋網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,其中鋼筋拱架支護會根據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月牙狀的反射信號。從圖4(a)和圖4(b)中可以看出鋼筋網、鋼拱架的界面與混凝土接觸明顯出現負的強反射。

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。由大量檢測數據的統計分析可知,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系統的動態范圍至少為60dB[5]。在檢測過程中,只有部分信息才能在終端顯示器呈現出來,而要根據這些部分信息來提取有效的數據才能確定隧道襯砌缺陷的具體物理特征。根據雷達天線對信號強度的影響,提出以下建議:

(1)根據現場具體工況和探測精度、深度的要求,選取相應匹配的雷達天線。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。因此天線的選擇應根據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)采集數據時,天線應該與襯砌表面一直接觸良好,以保證天線移動過程中的穩定性和移動速率的均勻,減少不必要的中斷。并且盡量降低發射天線和接收天線的耦合,過程中產生的不可避免的停頓也要做好準確記錄。

3 地質雷達檢測隧道襯砌缺陷的建議

3.1 現場采集數據的要求

由于隧道內檢測現場環境的復雜性和圍巖級別的不同,數據采集方式也不同。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,以及襯砌內部鋼筋網及鋼拱架分布位置。

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

3.2 采集檢測數據后處理

結合檢測隧道襯砌雷達圖像,要對圖像中代表的相應的物理特征進行解譯分析。對電磁波的波長、強度、相位變化和振幅區的頻率等分析解釋。利用地質雷達數據處理軟件對采集的數據后處理是能直觀呈現出檢測數據好壞。雷達的數據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,從而提高檢測數據的利用性。操作地質雷達數據處理軟件通常是對雷達圖像數據采取二維濾波、一維濾波、增益調節、反褶積處理等方式,達到提高雷達圖像信號強度的效果,實現精準判斷襯砌脫空位置及鋼拱架、鋼筋網位置的目的。

4 結論

(1)隧道襯砌結構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生很大隱患。所以利用地質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雷達數據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構。

(2)隧道襯砌相關數據采集過程、地質雷達天線的選擇、操作細節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據后處理,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。