隧道二襯雷達檢測典型病害識別與分析
更新時間：2021-04-10 17:51
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本文歸納和分析了隧道二襯地質(zhì)雷達檢測常見缺陷圖像，并對其圖像特征和這些缺陷的產(chǎn)生原因進行了分析說明，為檢測人員判別二次襯砌檢測中的缺陷提供參考借鑒。
【關鍵詞】地質(zhì)雷達基本原理、脫空、不密實、鋼筋缺失
1 概述
地質(zhì)雷達自上世紀70年代開始應用至今將近30年了，其應用領域逐漸擴大，在考古、建筑、鐵路、公路、水利、電力、采礦、航空各領域都有重要的應用，解決場地勘查、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、超前預報、地質(zhì)構造研究等問題。在工程地球物理領域有多種探測方法，包括反射地震、地震CT、高密度電法、地震面波和地質(zhì)雷達等，其中地質(zhì)雷達的分辨率最高，而且圖象直觀，使用方便，所以很受工程界信賴和歡迎。地質(zhì)雷達（ Ground Penetrating Radar，簡稱GPR） 作為一項先進的檢測技術，采用便攜微機控制，工作周期短，快速、高效，具有無損、連續(xù)、快速和分辨率高的特點，在公路、工程地質(zhì)、水文調(diào)查、考古、鐵路等方面得到了廣泛的應用。在公路隧道和鐵路隧道的建設和后期運營維護中，地質(zhì)雷達無損檢測技術給隧道質(zhì)量無損檢測工作帶來了重大的革新。
2 地質(zhì)雷達檢測原理
地質(zhì)雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，具體工作原理是：當雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，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。
由反射原理圖可知，電磁脈沖波旅行時間： ，式中，Z為探測目標體的深度，t為雷達記錄時間，X為發(fā)射、接收天線的距離， 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。
X在剖面探測中是固定的，當?shù)叵陆橘|(zhì)的波速 為已知時，通過觀察到的精確的t值（1s=109ns），由上式便求出反射體的深度Z。雷達圖像以脈沖反射波的波形形式記錄，波形的正負峰分別以黑白色表示，或對其記錄剖面以灰階或者彩色表示，這樣同相軸或灰階度、等色譜即可形象地表征出地下反射面分布。
3 地質(zhì)雷達目標波相識別要點
為獲得雷達探測的結果，需要對雷達記錄進行數(shù)據(jù)處理與判讀，判讀是理論與實踐相結合的綜合分析，需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗。雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相識別或波相分析，它是資料解釋的基礎。在此首先介紹波相分析的基本要點。
3.1 反射波的振幅與方向
從反射系數(shù)的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出兩點：
第一點反射振幅的大小，界面兩側介質(zhì)的電磁學性質(zhì)差異越大，反射波越強。從反射振幅上可以判定兩側介質(zhì)的性質(zhì)、屬；第二點反射波的極性，波從介電常數(shù)小進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，即從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)，從光疏進入光密介質(zhì)時，反射系數(shù)為負，即反射波振幅反向。反之，從低速進入高速介質(zhì)，反射波振幅與入射波同向。這是判定界面兩側介質(zhì)性質(zhì)與屬性的又一條依據(jù)；如從空氣中進入土層、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時，反射波不反向，結果脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后邊充滿水，波從該界面反射也發(fā)生反向，與表面反射波同向，而且反射振幅較大?；炷林械匿摻?，波速近乎為零，反射自然反向，而且反射振幅特別強。因而，反射波的振幅和方向特征是雷達波判別最重要依據(jù)。
3.2 反射波的頻譜特性
不同介質(zhì)有不同的結構特征，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的依據(jù)。如混凝土與巖層相比，比較均質(zhì)，沒有巖石內(nèi)部結構復雜，因而圍巖中內(nèi)反射波明顯，特別是高頻波豐富。而混凝土內(nèi)部反射波較少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強風化層中礦物按深度分化布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可清楚地將各層分開。如圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征，易于識別。節(jié)理帶、斷裂帶結構破碎，內(nèi)部反射和閃射多，在相應走時位置表現(xiàn)為高頻密紋反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用，從更遠的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)?，信號表現(xiàn)為平靜區(qū)。
3.3 反射波同向軸形態(tài)特征
雷達記錄資料中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，依據(jù)同向軸的時間、形態(tài)、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質(zhì)解釋最重要的基礎。同向軸的形態(tài)與埋藏的物界面的形態(tài)并非完全一致，特別是邊緣的反射效應，使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對于孤立的埋設物其反射的同向軸為向下開口的拋物線，有限平板界面反射的同向軸中部為平板，兩端為半支下開口拋物線。
4 隧道二襯檢測常見脫空病害分析
在公路或鐵路隧道二襯無損質(zhì)量檢測中，常見的病害主要有脫空、不密實、二襯鋼筋網(wǎng)缺失、單層鋼筋網(wǎng)。
4.1 脫空
脫空一般指隧道二次襯砌與初襯之間的空隙，常見的脫空主要有二次襯砌背后的脫空、二襯混凝土兩板接縫處的三角脫空。二襯背后脫空此類缺陷產(chǎn)生的主要原因是二襯混凝土硬化后收縮形成的收縮縫或者由于澆筑混凝土時模板的變形、臺架下沉而形成；三角脫空多發(fā)生在拱頂?shù)膬砂寤炷两涌p位置，主要是由于施工過程中的振搗不到位及泵送機的壓力原因。在隧道建設中是最常見的問題之一，脫空的地質(zhì)雷達圖像特征是襯砌界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面的信號，兩族信號時程差較大，出現(xiàn)多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發(fā)生相位錯位，且其能量明顯增強[1]。 4.2 不密實
不密實病害主要出現(xiàn)在二襯混凝土的澆筑過程中，由于振搗不到位，在重力作用下，混凝土發(fā)生離析，地質(zhì)雷達的圖像特征主要表現(xiàn)為襯砌界面內(nèi)的較強的反射信號同相軸呈繞射弧形，不連續(xù)，較分散[2]。如下圖5所示為二襯混凝內(nèi)部不密實圖形特征。
4.3 二襯鋼筋網(wǎng)缺失
二襯鋼筋網(wǎng)缺失病害主要是指在設計要求二襯使用鋼筋混凝土襯砌時部分施工單位偷工減料，在施工過程中在部分段落不放鋼筋網(wǎng)或者少放鋼筋網(wǎng)的情況。在地質(zhì)雷達圖像上鋼筋信號表現(xiàn)為尖銳的拋物線形態(tài)，信號能量強，可以直觀的統(tǒng)計出鋼筋數(shù)量[3]。對于二襯段落中不放和少放鋼筋網(wǎng)的情況，在圖像上比較直觀。如下圖6、圖7所示為二襯鋼筋網(wǎng)缺失情況特征。
圖6 二襯混凝土鋼筋網(wǎng)缺失 圖7 二襯混凝土只布置單層鋼筋網(wǎng)
4.4 二襯鋼筋網(wǎng)間距超標
二襯鋼筋網(wǎng)間距超標在二襯無損檢測過程中也是常見病害，主要由于施工單位未按照設計要求的間距進行鋼筋布置，通過增大鋼筋間距達到節(jié)省鋼筋的目的，在地質(zhì)雷達圖像是表現(xiàn)為鋼筋信號間間距超出設計資料要求。如下圖8所示為二襯鋼筋間距超標的情況特征。
圖8 二襯混凝土鋼筋間距超標
5 結語
本文列出的二襯地質(zhì)雷達檢測病害為隧道檢測中的幾種較常見病害，對典型的病害圖像特征加以分析和探討，不能代表所有的雷達病害圖像類型。在地質(zhì)雷達檢測過程中，隧道的檢測條件是十分復雜的，除了電器設備的干擾外，隧道墻壁、路基鐵軌、檢測臺車等都會產(chǎn)生反射干擾信號，因此對圖像的分析要綜合各方面情況，才能對隧道襯砌內(nèi)部情況作出精準的判斷。
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