地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用的若干技術(shù)問題

1、地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用的若干技術(shù)問題,主講人：仇文革 教授,西南交通大學(xué),二OO五年六月二十一日,隨著國家陸路交通的不斷發(fā)展，鐵路公路隧道的數(shù)量也在逐年增加，同時(shí)在運(yùn)營過程中暴露出來的隧道病害也在連連告急。這就需要一種高效的能夠?qū)λ淼酪r砌質(zhì)量進(jìn)行全面快速的檢測(cè)方法來適應(yīng)這種發(fā)展，使隧道病害能夠提前得到治理。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法可以對(duì)隧道襯砌混凝土厚度、密實(shí)性、脫空等進(jìn)行快速檢測(cè)，它不僅克服了傳統(tǒng)上以點(diǎn)蓋面的只靠目測(cè)和打孔抽查

2、來對(duì)隧道質(zhì)量進(jìn)行不全面檢測(cè)的缺點(diǎn)，而且是一種采用高科技手段，以其高分辨率和高準(zhǔn)確率、能快速、高效的進(jìn)行無損檢測(cè)的方法，在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。,前 言,雖然地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但就檢測(cè)過程中所要特別注意的問題（雷達(dá)波速的標(biāo)定、地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇、地質(zhì)雷達(dá)圖像的定位等問題）、檢測(cè)設(shè)備所存在的問題（地質(zhì)雷達(dá)天線的輕型、小型化以及隧道檢測(cè)專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì)等問題）、后處理問題（缺陷中空洞的準(zhǔn)確定位

3、、標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的建立、檢測(cè)結(jié)果的快速及可視化等問題）等均有待進(jìn)一步得到解決。以下就上述問題開展一些討論。,在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的測(cè)線上，用鉆機(jī)在混凝土上鉆透襯砌混凝土，然后再用尺量出混凝土襯砌的實(shí)際厚度(d)，并從地質(zhì)雷達(dá)圖像上讀出鉆取位置處襯砌混凝土反射層面的雙層走時(shí)，再根據(jù)式(1)即可求出波速。,波速標(biāo)定問題,1.1 直接法（已知厚度反求速度法）,1.1.1 鉆芯法測(cè)混凝土襯砌厚度,式（1）,使用激光斷面儀（見圖1）對(duì)隧道初支/二襯前斷面進(jìn)

4、行檢測(cè)（見圖2），待初支/二襯完成后在同一斷面再次進(jìn)行檢測(cè)（見圖3），通過相同位置兩次檢測(cè)結(jié)果的差值（見圖4），可得出檢測(cè)斷面初支/二襯的準(zhǔn)確值。再根據(jù)式（1）利用此準(zhǔn)確值對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在初支噴混凝土/二襯混凝土中傳播的波速進(jìn)行標(biāo)定。,波速標(biāo)定問題,1.1 直接法（已知厚度反求速度法）,1.1.1 利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度,,,圖1 BJSD-2型隧道限界檢測(cè)儀 圖2 初支/二襯前斷面檢測(cè)示意圖 圖3 初支/二襯后斷面檢測(cè)

5、示意圖,波速標(biāo)定問題,1.1 直接法（已知厚度反求速度法）,1.1.1 利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度,圖4 初支/二襯厚度檢測(cè)示意圖,圖5 拱頂測(cè)線處厚度及雷達(dá)圖像,從圖5可知，d=0.236m，雷達(dá)波雙程走時(shí)為4ns，根據(jù)式（1）求出波速為0.118m/ns。 已知整個(gè)檢測(cè)斷面的初支/二襯厚度，可將不同測(cè)線在此斷面的波速分別求出，再對(duì)其進(jìn)行綜合分析，求出綜合的波速值。從這點(diǎn)出發(fā)，要比鉆芯法求襯砌厚度的方法在科學(xué)性、準(zhǔn)確性

6、（精度）上都優(yōu)越得多。,波速標(biāo)定問題,1.1 直接法（已知厚度反求速度法）,1.1.1 利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度,使用激光斷面儀對(duì)隧道開挖輪廓或襯砌凈空進(jìn)行檢測(cè)（見圖6～9），不僅可以對(duì)地質(zhì)雷達(dá)波速進(jìn)行標(biāo)定，而且還可以評(píng)價(jià)隧道開挖及隧道凈空是否滿足設(shè)計(jì)要求。從而達(dá)到了多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目相結(jié)合的效果。,,,圖6 新建公路隧道斷面檢測(cè)照片1 圖7 新建公路隧道斷面檢測(cè)照片2,波速標(biāo)定問題,1.1 直接法（已知厚度反求速度法

7、）,1.1.1 利用激光斷面儀測(cè)混凝土襯砌厚度,,,圖8 既有鐵路隧道斷面檢測(cè)照片1 圖9 既有鐵路隧道斷面檢測(cè)照片2,當(dāng)襯砌背后存在明顯空洞時(shí)，檢測(cè)到的波譜圖像中將存在拋物線。從而可通過在速度(V)處輸入不同速度值進(jìn)行擬合，當(dāng)拋物線與圖像中存在的拋物線完全擬合時(shí)，該速度即為襯砌混凝土的速度（如圖10所示）。,波速標(biāo)定問題,1.2 間接法（雷達(dá)寬角速度測(cè)量法）,,,圖10 襯砌混凝土內(nèi)波速擬合示意圖,波速標(biāo)定問題,1.

8、2 間接法（雷達(dá)寬角速度測(cè)量法）,從圖11可知波譜圖像中拋物線的形成原因，在圖中可任取兩個(gè)點(diǎn)對(duì)速度進(jìn)行擬合。由其關(guān)系可推導(dǎo)出速度擬合公式如下：,,式（2）,圖11 拋物線成因示意圖,波速標(biāo)定問題,1.3 混凝土齡期對(duì)雷達(dá)波速的影響問題,由相關(guān)文獻(xiàn)知：利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷體時(shí)，混凝土齡期越短，探測(cè)缺陷體的效果越好。這就說明隨混凝土齡期的不同，其介電常數(shù)是有差異的。從而提出齡期對(duì)雷達(dá)波速有影響的問題。,地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇

9、問題,頻率高的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻高、分辨率高、精度較高、能量衰減較快、探測(cè)深度較淺；頻率低的天線發(fā)射雷達(dá)波主頻低、分辨率低、精度相對(duì)較低、能量衰減較慢、探測(cè)的深度較深。各頻率天線詳見表1、圖12所示。,圖12 RAMACⅡ型地質(zhì)雷達(dá)各頻率天線,表1 不同天線的穿透深度,地質(zhì)雷達(dá)天線頻率的選擇問題,表2 檢測(cè)厚度與天線頻率選擇對(duì)照表,因此，選用天線時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道混凝土厚度及檢測(cè)要求來確定天線的頻率，詳見表2。,里程的標(biāo)記問題,為了

10、保證地質(zhì)雷達(dá)圖像上各測(cè)點(diǎn)的位置與實(shí)際檢測(cè)里程的位置相對(duì)應(yīng)，先在隧道邊墻上用紅油漆每5m作一個(gè)標(biāo)記，標(biāo)注里程以供核對(duì)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，當(dāng)天線對(duì)齊某一標(biāo)記時(shí)，由儀器操作員向儀器輸入信號(hào)，在雷達(dá)記錄中每5ｍ作一個(gè)標(biāo)記，同時(shí)，應(yīng)盡量使天線勻速移動(dòng)。 由于檢測(cè)時(shí)天線的走向不是真正意義上的直線，而是蛇形前進(jìn)，所以，即使是采用里程輪，也應(yīng)對(duì)記錄的里程與實(shí)際里程進(jìn)行核對(duì)。整理資料時(shí)，根據(jù)標(biāo)記和記錄的首末標(biāo)及工作中間核查的里程，在雷達(dá)的時(shí)間剖面圖上標(biāo)

11、明里程，以保證雷達(dá)圖像點(diǎn)位的準(zhǔn)確（見圖13）。,里程的標(biāo)記問題,圖13 隧道里程與雷達(dá)標(biāo)記對(duì)照示意圖,如圖13所示，如若每米作1個(gè)標(biāo)記，即使檢測(cè)速度不一致，也可準(zhǔn)確定出隧道每米的準(zhǔn)確位置； 每5米作1個(gè)標(biāo)記，能確定每5米處的準(zhǔn)確位置，而每5米間只能通過平均處理來確定每米的位置，若5米內(nèi)的速度存在差異，將會(huì)導(dǎo)致隧道每米的準(zhǔn)確位置不能確定，見圖13(b)、（c)及圖14。,圖14 實(shí)測(cè)雷達(dá)圖像上標(biāo)記,地質(zhì)雷達(dá)天線輕型化、小型化技

12、術(shù),從事地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)人員均有深刻體會(huì)：特別是進(jìn)行隧道拱部的各測(cè)線檢測(cè)時(shí)，天線密貼襯砌表面變成極困難的事情。原因：一是目前還未有專門用于隧道檢測(cè)的檢測(cè)車，使扶天線的工作成為高空作業(yè)，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)常借助裝載機(jī)或挖掘機(jī)進(jìn)行檢測(cè)（見圖15～20）；二是目前采用的天線重量、體積均較大（特別是低頻率天線）。往往造成扶天線的工作人員不堪重負(fù)。,,,圖15 新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱腳） 圖16 新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片

13、（拱頂）1,地質(zhì)雷達(dá)天線輕型化、小型化技術(shù),,,圖17 新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）2 圖18 新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）3,,,地質(zhì)雷達(dá)天線輕型化、小型化技術(shù),圖19 新建公路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）4 圖20 既有鐵路隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片（拱頂）,對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，可將電池供電改為外部供電（電瓶等）以減輕雷達(dá)天線的重量。 在天線原材料選擇時(shí)，可選取輕質(zhì)、硬度大的材料。,隧道專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì),上面已提出：對(duì)于新建

14、或既有隧道的拱部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，密貼天線在襯砌表面是很困難的。其中最主要的一個(gè)原因就是作業(yè)人員無專用操作臺(tái)，不便操作造成的。目前常采用的辦法是在汽車上搭設(shè)鋼管架或利用檢修車等作為檢測(cè)車（見圖20、21、22）。為了今后隧道檢測(cè)工作的方便，從而提出隧道專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì)問題。,圖21 汽車上搭設(shè)鋼管架簡(jiǎn)易檢測(cè)車 圖22 公路隧道檢修車,隧道專用檢測(cè)車的設(shè)計(jì),對(duì)于專用檢測(cè)車的要求：以汽車/卡車為載體，在其上架設(shè)特

15、制部件用于安放雷達(dá)天線，為了使天線密貼襯砌表面，在雷達(dá)下部加設(shè)彈簧等結(jié)構(gòu)給天線加力，使其密貼；就目前而言，所檢測(cè)的測(cè)線并非完全意義上的直線，大多存在左右或上下擺動(dòng)，造成天線沿襯砌表面蛇形前進(jìn)或局部存在脫離襯砌表面，所以要在檢測(cè)車上安設(shè)導(dǎo)向裝置，使天線的走向（地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線）成真正意義上的直線。,設(shè)備生產(chǎn)的本土化及國產(chǎn)化問題,由于地質(zhì)雷達(dá)為主的無損檢測(cè)方法已得到極大的推廣和應(yīng)用，為了適應(yīng)地質(zhì)雷達(dá)在隧道等工程質(zhì)量檢測(cè)中的發(fā)展，從而提出了地質(zhì)雷

16、達(dá)設(shè)備生產(chǎn)的本土化及國產(chǎn)化。 所謂本土化，是外國設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在我國進(jìn)行合資或獨(dú)資辦廠，利用國外技術(shù)及國內(nèi)的勞動(dòng)力進(jìn)行生產(chǎn)； 所謂國產(chǎn)化，是國內(nèi)企業(yè)自已辦廠，利用已有技術(shù)及部分國產(chǎn)元件進(jìn)行生產(chǎn)。 只要達(dá)到地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備生產(chǎn)的本土化及國產(chǎn)化，將大大降低成本、增加生產(chǎn)，滿足社會(huì)的需要。同時(shí)也能促進(jìn)地質(zhì)雷達(dá)得到更廣泛的應(yīng)用。,空洞定位問題,在隧道襯砌的缺陷判定時(shí)，所采用的地質(zhì)雷達(dá)圖像通常只是某一條測(cè)線所采集到的。眾所周知，

17、地質(zhì)雷達(dá)所采集的圖形并不完全是天線所經(jīng)過測(cè)線剖面的如實(shí)反映，如若在測(cè)線附近存在空洞等缺陷時(shí)，即使不在測(cè)線剖面上，在地質(zhì)雷達(dá)圖像上也會(huì)有反映。 當(dāng)存在這種情況時(shí)，如只采用一條測(cè)線對(duì)空洞進(jìn)行精確定位是比較困難的。如若在其空洞位置正交補(bǔ)測(cè)一條或多條短測(cè)線，則可通過兩個(gè)、多個(gè)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行立體分析，可對(duì)空洞進(jìn)行精確定位。 但對(duì)于空洞存在的規(guī)模（空洞高度）仍不能準(zhǔn)確定量。這是因?yàn)椋豪走_(dá)波在空洞的波速無法準(zhǔn)確給定；空洞第二界面

18、的反射波特征很難確認(rèn)，從而導(dǎo)致空洞的高度無法準(zhǔn)確定量。,測(cè)試規(guī)程的制定、標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的建立,由于目前仍沒有統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)程，現(xiàn)在均是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理分析，造成了對(duì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果評(píng)判的混亂。如果處理不當(dāng)，容易造成對(duì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤解，可能會(huì)制約地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用前景。因此，應(yīng)盡快制定相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程以適應(yīng)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)展的需要。 同時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫的欠缺，造成相同的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像，由不同的人判讀，會(huì)得出不同的結(jié)果。這

19、就提出要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)圖譜，對(duì)各種可能的情況（空洞、不密實(shí)、含水及分層等情況）經(jīng)過試驗(yàn)，做出標(biāo)準(zhǔn)圖譜，供判讀圖像的檢測(cè)人員參照，以避免讀出錯(cuò)誤的結(jié)果，從而避免錯(cuò)誤檢測(cè)報(bào)告的產(chǎn)生。,后處理,為了還原地質(zhì)雷達(dá)所檢測(cè)目標(biāo)及缺陷的實(shí)際情況，使成果能讓人一目了然，要求對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖像進(jìn)行3D處理（見圖23、24），達(dá)到檢測(cè)結(jié)果的可視化效果。,圖23 Easy 3D 軟件處理結(jié)果1 圖24 Easy 3D

20、 軟件處理結(jié)果2,后處理,對(duì)于目前的后處理工作，雖經(jīng)過各種變換、濾波之后進(jìn)行層位追蹤（見圖25、26），可以進(jìn)行結(jié)果的判讀。但若檢測(cè)工作量較大時(shí)，快速出結(jié)果就極為困難。所以，如何快速對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，也是需要解決的問題。,圖25 層位追蹤示意圖 圖26 層位追蹤結(jié)果圖,結(jié)束語,在充分處理好上述地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用的技術(shù)問題之后，將會(huì)使地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的應(yīng)用得到更高層次