来源： 北京铁城建设监理公司、三合探测

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王正成 吴晔   (北京铁城建设监理有限责任公司)

探地雷达( grumd penetrating radar,简称 GPR)是一种无损检测设备,它能使用户快速获得相关探测区域的详细信息。探地雷达系统采集数据时,天线的发射端向测量表面以下发送以球面波形式传播的电磁波,同时,天线的接收端接收由不同电介质特性的层面反射的回波,经电缆或光纤传输到终端连接的计算机上,实时显示雷达图像。电磁波在介质中传播时,其路径、波形将随所通过介质的电性质和几何形态的不同而变化,当目标体为面反射体时,雷达图像上显示的是与反射界面相一致的一条曲线:当目标体为点反射体时,其雷达图像上显示的是一个抛物线,或称之为双曲线的一支。探地雷达法检测铁路隧道衬砌质量时,可以对衬砌厚度、衬砌背后的回填密实度和衬砌内部钢架、钢筋等分布进行检测。天线的频率范围通常在400~1000 MHz,天线的频率越高,探测的分辨率越高,探测深度越浅,反之,天线的频率越低,探测的分辨率越低,探测深度越深。笔者结合实际工作经验,对探地雷达在铁路隧道衬砌质量检测时需要注意的问题进行了总结。 

隧道衬砌厚度值是根据时深转换公式D=0.5vt计算得出来的,其中D是隧道衬砌厚度值,v是电磁波在衬砌中的传播速度，t是电磁波在衬砌中的双程传播时间。式中双程传播时间t是通过探地雷达仪器精确测量得到的,所以衬砌厚度值的精度是由电磁波在衬砌中的传播速度v的精度决定的。电磁波在介质中传播速度的标定方法通常是:在已知厚度部位(例如隧道洞口)或材料与隧道相同的其他预制件上测量,或在隧道中某处取芯,根据实测厚度值反算电磁波实际的传播速度,以计算出的速度值带人时深转换公式中,最终得出衬砌厚度测量值。这些方法都存在着以点带面的缺陷,是以假设整条测线剖面的介质都是均匀一致,电磁波传播速度恒定为基础的。

根据《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003中7.4.10 规定:隧道衬砌的厚度必须符合设计要求。此为强制性条文,必须严格执行。在对探地雷达数据进行处理和解释时,设定不同的电磁波传播速度,会得到不同的隧道衬厚度值。电磁波在隧道衬砌中的传播速度通常在0.1~0.12m/ns,假设数据处理时设定的电磁波传播速度与电磁波在衬砌中的实际传播速度误差为±0.01m/ns,则根据时深转换公式,衬砌厚度值误差为±0.5x0.01(m/ns)xt(ns)=0.5(cm/ns) x t(ns)。

表1列出了不同电磁波传播时间可能产生的误差理论计算值。可见,电磁波传播时间不同,衬砌厚度理论误差值的大小也不同,衬砌厚度理论误差值随着衬砌厚度的增加而增加。因此,在检测前对电磁波传播速度进行标定是提高衬砌厚度值准确度的重要手段。

由此可见,在不具备检测前标定条件或检测厚度大的目标体(电磁波传播时间较长)时,找出衬砌厚度的相对变化比确定衬砌厚度的精确值更有实际意义。如图1所示,衬砌厚度层界面的同相轴能够连续追踪,清晰地反映出衬砌厚度的相对变化,图中椭圆部位的衬砌厚度明显小于其他部位的厚度,应该把此段作为重点怀疑部位,进行取芯验证。

《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003 中4.3.8规定,衬砌背后回填密实度的主要判定特征为:①密实:信号幅度较弱,甚至没有界面反射信号;②不密实:衬砌界面的强反射信号同相轴成绕射弧形,且不连续,较分散;③空洞: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信号,两组信号时程差较大。在这里需要注意下列几个方面的问题。

(1)由于边界效应的存在,在雷达图上的目标体水平尺寸都要大于它的实际大小,所以,空洞的实际水平尺寸不能从雷达图上精确判断出来,比雷达图上显示的范围要略小一些。

(2)判断空洞在深度(纵向)方向的尺寸时,应考虑两个因素:首先要判定空洞下部界面的反射信号位置,正确区分空洞上部界面多次反射造成的干扰。具备下面两个特征基本就可以判定为多次反射,①同相轴的形态完全相同;②多个反射界面之间的时差相等。其次在数据处理时,电磁波的传播速度都是设定为同一个值,在探测到空洞时,因为空洞内填充的介质不同,会造成实际的传播速度差异较大,从而判断空洞在深度(纵向)方向的尺寸与它的实际尺寸会有所不同。若空洞内填充物是高速介质,例如空气,其电磁波的传播速度大于我们的设定值,使得在雷达图上深度(纵向)方向反映出的目标体尺寸要小于它的实际尺寸;若填充物是低速介质例如水或含水量大的介质,其电磁波的传播速度小于设定值,则得出的结果正好相反。总之,因为检测时目标体是未知的,所以判断空洞的位置和大小尺寸时,应充分考虑实际地质情况。

(3)如果衬砌内设计有双排钢筋网,则钢筋网会对电磁波产生明显的削弱作用,增加衬砌背后回填密实度探测的难度。在衬砌内存在双排钢筋网的情况下,如果还能发现衬砌背后回填不密实或空洞的信号特征,那它的严重程度通常要大于衬砌内没有钢筋网的情况。图2是在衬砌内双排钢筋网下发现强反射信号的雷达图像,如椭圆区域内所示。这种情况下,可将其严重程度解释得相对重一些。

探地雷达能够探测到混凝土内的钢筋位置铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB10223-2004第4.3.9规定,钢筋在雷达图上的判断特征应符合的要求是:连续的小双曲线形强反射信号。如图3.图中每个红点代表一根钢筋,图中可以清晰看出每根钢筋的抛物线波形,钢筋间距约为 20~25 cm。

探地雷达探测双排钢筋是有一定条件的,并不是每次都能探测到第二排钢筋。第一是和天线的中心频率有关系,天线的中心频率越高,分辨率也就越高,但探测深度相对变浅;第二是和第一排钢筋网的钢筋间距有关,间距越大,就越容易探测到第二排钢筋;第三和两排钢筋网的间距有关,两排钢筋网间距越大,越容易探测到第二排钢筋,钢筋反射信号也就越强;第四还和上下两排钢筋的位置有关,两排钢筋的位置相互错开,越容易探测到第二排钢筋。

图4为双排钢筋雷达图像,图中每一个红点代表一根钢筋,从数据上可以看出,第一排钢筋间的间距大约在 40 cm,第一排与第二排钢筋的间距大约在 30~40 cm,而且两排钢筋上下位置错开。在图中右侧方框区域可以清楚看出第二排钢筋反射信号缺失。 

铁路隧道衬砌质量无损检测规程》TB10223-2004 第 4.3.9规定,钢架在雷达图上的判断特征应符合的要求是:分散的月牙形强反射信号。

钢架在实际施工中又分为格栅钢筋和型钢钢架,在理想状态下,格栅钢架和型钢钢架的雷达波形存在差异,理论上有区分出来的可能性。从格栅钢架的组成结构来看,每榀格栅钢架的反射信号应有两个连续的小月牙形强反射组成。从型钢钢架的组成结构来看,每榀型钢钢架的反射信号应有一个小月牙形的强反射,且反射强度要强于格栅钢架的反射强度。但是从现场实际检测效果来看,并不能每次都能根据信号的特征和强弱把钢架类型区分开来。其主要原因有:

(1)在相同信号发射功率和同样介质条件下雷达波反射信号的强弱主要与目标体的反射系数和深度位置有关。格栅钢架和型钢钢架的材质均是金属,反射系数几乎没有差别;另外,钢架的深度也存在一定差异,不同深度对反射信号的强弱必然产生不同影响。

(2)实际检测的混凝土并非假设的均值介质体,强度等级和含水量不同的混凝土对信号能量的吸收也必将产生一定差异,因此不同检测位置的混凝土对反射信号的强弱也会产生一定影响。

(3)格栅钢架在实际施工过程中如果存在扭曲,即格栅前面两根钢筋和后面两根未完全重叠,则后面两根钢筋的反射信号会与前面两根钢筋的信号进行叠加,对反射信号也会产生一定影响。

(4)雷达系统的分辨率与目标体的深度有着密切的关系。钢架位于隧道初期支护内,在这样的深度范围内,雷达系统分辨格栅钢架和型钢钢架的准确性会受到很大影响。

另外,如果隧道衬砌内存在双排钢筋网,会对钢架的反射信号产生极大的削弱,基本上无法从雷达图像上找出钢架反射信号,这一点要尤其注意。如果二衬内没有钢筋,二衬为素混凝土,则探地雷达可以对钢架进行探测。如图5,在初期支护中有型钢钢架,图中每个红点位置代表一榀钢架,钢架深度约为 0.75 m,间距约为 0.55 m。

隧道内的检测环境非常复杂,隧道中的电磁设备、电力电缆和金属物件等都会对探地雷达检测产生一定的干扰。图6中方框内的波形就是数据采集过程中对讲机通话时造成的干扰波形;隧道检测中通常选用的天线都是屏蔽天线,能够排除一些干扰信号,但对有些金属物体的强干扰还是不能完全屏蔽,图7中椭圆形内的波形就是测量仰拱时经过衬砌台车时引起的假异常信号。另外,在数据采集过程中,由于隧道地面不平坦造成检测车的颠簸也会引起数据信号的假异常,数据解释时应注意区分。

探地雷达在检测铁路隧道衬砌质量方面的技术已经日趋成熟,能够在一定条件下解决衬砌厚度、衬砌背后回填密实度、衬砌内部钢筋、钢架检测等一些问题。我们坚信,随着探地雷达检测技术水平的不断提高,例如天线阵雷达和层析成像技术的逐渐成熟,肯定能够不断取得突破。笔者虽然立足于探地雷达在铁路隧道衬砌质量检测方面的应用,但此观点对于公路、水利等行业的岩石隧道检测同样具有借鉴作用。

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