隧道二衬雷达检测典型病害识别与分析
更新时间：2021-04-10 17:51
|
阅读量：
本文归纳和分析了隧道二衬地质雷达检测常见缺陷图像，并对其图像特征和这些缺陷的产生原因进行了分析说明，为检测人员判别二次衬砌检测中的缺陷提供参考借鉴。
【关键词】地质雷达基本原理、脱空、不密实、钢筋缺失
1 概述
地质雷达自上世纪70年代开始应用至今将近30年了，其应用领域逐渐扩大，在考古、建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空各领域都有重要的应用，解决场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、超前预报、地质构造研究等问题。在工程地球物理领域有多种探测方法，包括反射地震、地震CT、高密度电法、地震面波和地质雷达等，其中地质雷达的分辨率最高，而且图象直观，使用方便，所以很受工程界信赖和欢迎。地质雷达（ Ground Penetrating Radar，简称GPR） 作为一项先进的检测技术，采用便携微机控制，工作周期短，快速、高效，具有无损、连续、快速和分辨率高的特点，在公路、工程地质、水文调查、考古、铁路等方面得到了广泛的应用。在公路隧道和铁路隧道的建设和后期运营维护中，地质雷达无损检测技术给隧道质量无损检测工作带来了重大的革新。
2 地质雷达检测原理
地质雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。
由反射原理图可知，电磁脉冲波旅行时间： ，式中，Z为探测目标体的深度，t为雷达记录时间，X为发射、接收天线的距离， 为电磁波在介质中的传播速度。
X在剖面探测中是固定的，当地下介质的波速 为已知时，通过观察到的精确的t值（1s=109ns），由上式便求出反射体的深度Z。雷达图像以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑白色表示，或对其记录剖面以灰阶或者彩色表示，这样同相轴或灰阶度、等色谱即可形象地表征出地下反射面分布。
3 地质雷达目标波相识别要点
为获得雷达探测的结果，需要对雷达记录进行数据处理与判读，判读是理论与实践相结合的综合分析，需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。雷达记录的判读也叫雷达记录的波相识别或波相分析，它是资料解释的基础。在此首先介绍波相分析的基本要点。
3.1 反射波的振幅与方向
从反射系数的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出两点：
第一点反射振幅的大小，界面两侧介质的电磁学性质差异越大，反射波越强。从反射振幅上可以判定两侧介质的性质、属；第二点反射波的极性，波从介电常数小进入介电常数大的介质时，即从高速介质进入低速介质，从光疏进入光密介质时，反射系数为负，即反射波振幅反向。反之，从低速进入高速介质，反射波振幅与入射波同向。这是判定界面两侧介质性质与属性的又一条依据；如从空气中进入土层、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。从混凝土后边的脱空区再反射回来时，反射波不反向，结果脱空区的反射与混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后边充满水，波从该界面反射也发生反向，与表面反射波同向，而且反射振幅较大。混凝土中的钢筋，波速近乎为零，反射自然反向，而且反射振幅特别强。因而，反射波的振幅和方向特征是雷达波判别最重要依据。
3.2 反射波的频谱特性
不同介质有不同的结构特征，内部反射波的高、低频率特征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的依据。如混凝土与岩层相比，比较均质，没有岩石内部结构复杂，因而围岩中内反射波明显，特别是高频波丰富。而混凝土内部反射波较少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土电磁性质比较均匀，反射波较弱；强风化层中矿物按深度分化布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；其下的新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可清楚地将各层分开。如围岩中的含水带也表现出低频高振幅的反射特征，易于识别。节理带、断裂带结构破碎，内部反射和闪射多，在相应走时位置表现为高频密纹反射。但由于破碎带的散射和吸收作用，从更远的部位反射回来的后续波能量变弱，信号表现为平静区。
3.3 反射波同向轴形态特征
雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，依据同向轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释判断是地质解释最重要的基础。同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一致，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较大的差异。对于孤立的埋设物其反射的同向轴为向下开口的抛物线，有限平板界面反射的同向轴中部为平板，两端为半支下开口抛物线。
4 隧道二衬检测常见脱空病害分析
在公路或铁路隧道二衬无损质量检测中，常见的病害主要有脱空、不密实、二衬钢筋网缺失、单层钢筋网。
4.1 脱空
脱空一般指隧道二次衬砌与初衬之间的空隙，常见的脱空主要有二次衬砌背后的脱空、二衬混凝土两板接缝处的三角脱空。二衬背后脱空此类缺陷产生的主要原因是二衬混凝土硬化后收缩形成的收缩缝或者由于浇筑混凝土时模板的变形、台架下沉而形成；三角脱空多发生在拱顶的两板混凝土接缝位置，主要是由于施工过程中的振捣不到位及泵送机的压力原因。在隧道建设中是最常见的问题之一，脱空的地质雷达图像特征是衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面的信号，两族信号时程差较大，出现多次反射波，同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位，且其能量明显增强[1]。 4.2 不密实
不密实病害主要出现在二衬混凝土的浇筑过程中，由于振捣不到位，在重力作用下，混凝土发生离析，地质雷达的图像特征主要表现为衬砌界面内的较强的反射信号同相轴呈绕射弧形，不连续，较分散[2]。如下图5所示为二衬混凝内部不密实图形特征。
4.3 二衬钢筋网缺失
二衬钢筋网缺失病害主要是指在设计要求二衬使用钢筋混凝土衬砌时部分施工单位偷工减料，在施工过程中在部分段落不放钢筋网或者少放钢筋网的情况。在地质雷达图像上钢筋信号表现为尖锐的抛物线形态，信号能量强，可以直观的统计出钢筋数量[3]。对于二衬段落中不放和少放钢筋网的情况，在图像上比较直观。如下图6、图7所示为二衬钢筋网缺失情况特征。
图6 二衬混凝土钢筋网缺失 图7 二衬混凝土只布置单层钢筋网
4.4 二衬钢筋网间距超标
二衬钢筋网间距超标在二衬无损检测过程中也是常见病害，主要由于施工单位未按照设计要求的间距进行钢筋布置，通过增大钢筋间距达到节省钢筋的目的，在地质雷达图像是表现为钢筋信号间间距超出设计资料要求。如下图8所示为二衬钢筋间距超标的情况特征。
图8 二衬混凝土钢筋间距超标
5 结语
本文列出的二衬地质雷达检测病害为隧道检测中的几种较常见病害，对典型的病害图像特征加以分析和探讨，不能代表所有的雷达病害图像类型。在地质雷达检测过程中，隧道的检测条件是十分复杂的，除了电器设备的干扰外，隧道墙壁、路基铁轨、检测台车等都会产生反射干扰信号，因此对图像的分析要综合各方面情况，才能对隧道衬砌内部情况作出精准的判断。
