探地雷达(ground penetrating radar, 简称GPR)是一种利用高频电磁波的反射原理探测目标体的一种高频脉冲的电磁方法。探地雷达技术是一种无损检测技术, 广泛地应用于岩土工程勘察和工程质量检测之中[1, 2, 3, 4]。福建省物探工程勘察院采用美国GSSI公司的SIR-10H型探地雷达, 开展了福建公路、铁路的隧道衬砌质量检测, 路面、路基工程的质量检测, 二衬厚度的质量检测, 钢筋和钢架分布情况的检测及衬砌体与围岩结合情况的检测等, 取得了较好的应用效果。
工作参数包括天线中心频率、时窗、测点点距等。
天线中心频率选择应兼顾目标体尺寸大小和天线尺寸是否符合现场场所的需要。根据经验, 一般情况下, 若衬砌厚度小于30 cm时宜采用900 MHz天线, 衬砌厚度30 cm~100 cm时可采用400 MHz或500 MHz天线, 衬砌厚度大于100 cm应考虑250 MHz或更加低频率的天线。衬砌检测中, 由于隧道内存在台车、机械等各种干扰, 应尽可能采用屏蔽天线。
时窗的选择要根据最大探测深度与电磁波的传播速度来决定。通常时窗的大小要比计算值增加1/3, 这样能将主要目标层的反射波图放在图幅的中间位置[2]。
进行现场数据采集时, 按设计的测点进行测量, 连续测量时需在不同的测点位置打(里程)标记。
图1为隧道二衬界面雷达反射图像, 衬砌混凝土由于介质比较均匀, 反映为反射波较为单一、界面起伏不定; 图中二衬混凝土界面较为清晰。图2在中间一带隧道欠挖, 厚度明显不足, 二衬界面反射明显。根据雷达反射波形可识别出混凝土衬砌界面, 并利用电磁波在不同介质中的传播时间和传播速度, 可以计算得出混凝土衬砌厚度, 为隧道工程的质量验收提供数据。
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图1 隧道二衬雷达反射剖面图像 |
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图2 隧道二衬雷达界面反射剖面图像(欠挖) |
隧道衬砌在喷射混凝土或浇注混凝土施工中, 由于各种不可预料的原因, 常常在隧道衬砌内部或衬砌与围岩结合部形成脱空、回填不密实或排水不利形成局部水囊等质量缺陷, 这些缺陷降低了隧道衬砌的承载能力, 并可能对衬砌造成破坏, 直接影响隧道的使用寿命[3, 4,5]。
图3是DK500+055~500+070测线拱顶脱空的雷达图像, 图中衬砌混凝土与空洞中的空气为两种不同的介质, 其相对介电常数的差异较大, 形成了较强的反射波。
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图3 DK500+055~500+070拱顶脱空雷达图像 |
图4是YDK512+689~512+693测线左拱腰二衬30~40 cm后混凝土不密实雷达反射剖面。图中雷达波反射较凌乱, 波幅较大, 同相轴变化较大, 反映出回填不密实。
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图4 YDK512+689~512+693测线左拱腰二衬混凝土不密实雷达反射剖面图像 |
目前隧道主要采用模板泵送混凝土施工技术进行二次衬砌施工, 这种施工工艺若方法不当, 容易在拱顶施工接缝处出现呈三角形的空洞。图5为DK490+294~490+295测线拱顶(右)脱空雷达反射剖面, 反映出(拱顶施工缝)拱顶三角形施工空洞。
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图5 DK490+294~490+295拱顶脱空雷达反射剖面(拱顶脱空) |
图6是钢筋混凝土衬砌的雷达图像。图像左侧衬砌混凝土中由于存在钢筋造成反射强烈, 信号反映明显。图像右侧为混凝土衬砌(设计厚度为40 cm)的反映。图像左右两侧不同衬砌的分界面在雷达图像上反映较为明显。
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图6 钢筋混凝土的雷达图像 |
图7是二衬中钢筋雷达图像, 钢筋反射表现为比较尖锐的抛物线形态, 反射信号强度较大, 可以直观地数出钢筋数量, 从而比较精确计算出钢筋间距。图中二衬钢筋在模板施工缝处钢筋缺失。
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图7 二衬钢筋中间没有搭接的雷达图像 |
图8是型钢钢架雷达检测图像。钢架间距 1.5 m, 排列整齐, 表现为抛物线形式。图像中衬砌混凝土厚度可根据安放混凝土后的钢架埋深来间接计算。
铁路隧道施工建设中不可避免地存在衬砌厚度、衬砌背后回填密实度、二衬钢筋和钢架、裂纹等质量问题, 给铁路交通带来了较大的隐患。探地雷达可有效地探测衬砌的厚度、衬砌背后回填密实度、二衬钢筋和钢架分布, 且图像清晰, 反映直观。
这些应用实例说明了探地雷达可用于铁路隧道施工中的质量检测, 为中国铁路隧道的快速发展提供了技术保障, 并为公路隧道、水利隧洞等工程的质量检测提供了参考依据。
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图8 型钢钢架雷达检测图像 |
