中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
探地雷達(dá)(ground penetrating radar, 簡(jiǎn)稱(chēng)GPR)是一種利用高頻電磁波的反射原理探測(cè)目標(biāo)體的一種高頻脈沖的電磁方法。探地雷達(dá)技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù), 廣泛地應(yīng)用于巖土工程勘察和工程質(zhì)量檢測(cè)之中[1, 2, 3, 4]。福建省物探工程勘察院采用美國(guó)GSSI公司的SIR-10H型探地雷達(dá), 開(kāi)展了福建公路、鐵路的隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè), 路面、路基工程的質(zhì)量檢測(cè), 二襯厚度的質(zhì)量檢測(cè), 鋼筋和鋼架分布情況的檢測(cè)及襯砌體與圍巖結(jié)合情況的檢測(cè)等, 取得了較好的應(yīng)用效果。
工作參數(shù)包括天線(xiàn)中心頻率、時(shí)窗、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距等。
天線(xiàn)中心頻率選擇應(yīng)兼顧目標(biāo)體尺寸大小和天線(xiàn)尺寸是否符合現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)所的需要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn), 一般情況下, 若襯砌厚度小于30 cm時(shí)宜采用900 MHz天線(xiàn), 襯砌厚度30 cm~100 cm時(shí)可采用400 MHz或500 MHz天線(xiàn), 襯砌厚度大于100 cm應(yīng)考慮250 MHz或更加低頻率的天線(xiàn)。襯砌檢測(cè)中, 由于隧道內(nèi)存在臺(tái)車(chē)、機(jī)械等各種干擾, 應(yīng)盡可能采用屏蔽天線(xiàn)。
時(shí)窗的選擇要根據(jù)最大探測(cè)深度與電磁波的傳播速度來(lái)決定。通常時(shí)窗的大小要比計(jì)算值增加1/3, 這樣能將主要目標(biāo)層的反射波圖放在圖幅的中間位置[2]。
進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí), 按設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量, 連續(xù)測(cè)量時(shí)需在不同的測(cè)點(diǎn)位置打(里程)標(biāo)記。
圖1為隧道二襯界面雷達(dá)反射圖像, 襯砌混凝土由于介質(zhì)比較均勻, 反映為反射波較為單一、界面起伏不定; 圖中二襯混凝土界面較為清晰。圖2在中間一帶隧道欠挖, 厚度明顯不足, 二襯界面反射明顯。根據(jù)雷達(dá)反射波形可識(shí)別出混凝土襯砌界面, 并利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播時(shí)間和傳播速度, 可以計(jì)算得出混凝土襯砌厚度, 為隧道工程的質(zhì)量驗(yàn)收提供數(shù)據(jù)。
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圖1 隧道二襯雷達(dá)反射剖面圖像 |
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圖2 隧道二襯雷達(dá)界面反射剖面圖像(欠挖) |
隧道襯砌在噴射混凝土或澆注混凝土施工中, 由于各種不可預(yù)料的原因, 常常在隧道襯砌內(nèi)部或襯砌與圍巖結(jié)合部形成脫空、回填不密實(shí)或排水不利形成局部水囊等質(zhì)量缺陷, 這些缺陷降低了隧道襯砌的承載能力, 并可能對(duì)襯砌造成破壞, 直接影響隧道的使用壽命[3, 4,5]。
圖3是DK500+055~500+070測(cè)線(xiàn)拱頂脫空的雷達(dá)圖像, 圖中襯砌混凝土與空洞中的空氣為兩種不同的介質(zhì), 其相對(duì)介電常數(shù)的差異較大, 形成了較強(qiáng)的反射波。
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圖3 DK500+055~500+070拱頂脫空雷達(dá)圖像 |
圖4是YDK512+689~512+693測(cè)線(xiàn)左拱腰二襯30~40 cm后混凝土不密實(shí)雷達(dá)反射剖面。圖中雷達(dá)波反射較凌亂, 波幅較大, 同相軸變化較大, 反映出回填不密實(shí)。
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圖4 YDK512+689~512+693測(cè)線(xiàn)左拱腰二襯混凝土不密實(shí)雷達(dá)反射剖面圖像 |
目前隧道主要采用模板泵送混凝土施工技術(shù)進(jìn)行二次襯砌施工, 這種施工工藝若方法不當(dāng), 容易在拱頂施工接縫處出現(xiàn)呈三角形的空洞。圖5為DK490+294~490+295測(cè)線(xiàn)拱頂(右)脫空雷達(dá)反射剖面, 反映出(拱頂施工縫)拱頂三角形施工空洞。
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圖5 DK490+294~490+295拱頂脫空雷達(dá)反射剖面(拱頂脫空) |
圖6是鋼筋混凝土襯砌的雷達(dá)圖像。圖像左側(cè)襯砌混凝土中由于存在鋼筋造成反射強(qiáng)烈, 信號(hào)反映明顯。圖像右側(cè)為混凝土襯砌(設(shè)計(jì)厚度為40 cm)的反映。圖像左右兩側(cè)不同襯砌的分界面在雷達(dá)圖像上反映較為明顯。
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圖6 鋼筋混凝土的雷達(dá)圖像 |
圖7是二襯中鋼筋雷達(dá)圖像, 鋼筋反射表現(xiàn)為比較尖銳的拋物線(xiàn)形態(tài), 反射信號(hào)強(qiáng)度較大, 可以直觀地?cái)?shù)出鋼筋數(shù)量, 從而比較精確計(jì)算出鋼筋間距。圖中二襯鋼筋在模板施工縫處鋼筋缺失。
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圖7 二襯鋼筋中間沒(méi)有搭接的雷達(dá)圖像 |
圖8是型鋼鋼架雷達(dá)檢測(cè)圖像。鋼架間距 1.5 m, 排列整齊, 表現(xiàn)為拋物線(xiàn)形式。圖像中襯砌混凝土厚度可根據(jù)安放混凝土后的鋼架埋深來(lái)間接計(jì)算。
鐵路隧道施工建設(shè)中不可避免地存在襯砌厚度、襯砌背后回填密實(shí)度、二襯鋼筋和鋼架、裂紋等質(zhì)量問(wèn)題, 給鐵路交通帶來(lái)了較大的隱患。探地雷達(dá)可有效地探測(cè)襯砌的厚度、襯砌背后回填密實(shí)度、二襯鋼筋和鋼架分布, 且圖像清晰, 反映直觀。
這些應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明了探地雷達(dá)可用于鐵路隧道施工中的質(zhì)量檢測(cè), 為中國(guó)鐵路隧道的快速發(fā)展提供了技術(shù)保障, 并為公路隧道、水利隧洞等工程的質(zhì)量檢測(cè)提供了參考依據(jù)。
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圖8 型鋼鋼架雷達(dá)檢測(cè)圖像 |
