隧道二襯雷達檢測典型病害識別與分析
更新時間：2021-04-10 17:51
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本文歸納和分析了隧道二襯地質雷達檢測常見缺陷圖像，並對其圖像特征和這些缺陷的產生原因進行了分析說明，為檢測人員（yuán）判別二次襯砌檢測中的缺陷提供參考借鑒。
【關（guān）鍵詞】地質雷達基本原理、脫空（kōng）、不密實、鋼筋缺失
1 概述
地質雷達自上世（shì）紀（jì）70年代（dài）開始應用至今將（jiāng）近30年了（le），其應用領域逐漸擴大，在考古、建築（zhù）、鐵路、公路、水利、電力、采礦（kuàng）、航空（kōng）各領域都有重要的（de）應用，解決場地勘查、線路選擇、工程質量檢測、病害診斷、超前預（yù）報、地質（zhì）構造研究等問題。在工程（chéng）地球（qiú）物理領（lǐng）域有多（duō）種探測方法，包括反射地震、地震CT、高密度電法、地震麵波和地質雷（léi）達等（děng），其中地質雷達的分辨率最高，而且圖象直觀，使用方便，所以很受工程界信賴和歡迎。地質雷達（ Ground Penetrating Radar，簡稱GPR） 作為一項先進的檢測技術，采用便攜（xié）微機控製（zhì），工作周期短，快速、高效，具（jù）有無損、連續、快速和分辨率高的特點，在公路、工（gōng）程地質（zhì）、水文調查、考古、鐵路等方麵得到了廣泛的應用。在公路隧道和鐵路隧道（dào）的建設和後期運營維護中，地質雷達無損檢測技術給隧道質量無損檢測工作帶來了重大的革新。
2 地質雷達檢測原理（lǐ）
地質（zhì）雷達通過雷達天線對隱蔽目標體（tǐ）進行全斷麵掃描的方式獲得斷（duàn）麵的垂直二維剖麵圖像，具體工作原理是（shì）：當雷達係統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介（jiè）電差異較大（dà）的介質界麵時，就會發生反射、透射（shè）和折射。兩種介質的介電常數差異（yì）越大，反射的電磁波能量也越大；反（fǎn）射回（huí）的電磁波（bō）被與發射天線同步移動的接收（shōu）天線接收後（hòu），由雷達主機精確記錄（lù）下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷麵的掃描圖，工程技術人員通（tōng）過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的（de）實際結構（gòu）情況。
由反射原理（lǐ）圖可知，電磁脈衝波旅行時間： ，式中，Z為探（tàn）測目標體的深度，t為雷達記錄時間，X為發射、接收天線的距離， 為電磁波在介（jiè）質中的傳播速度。
X在（zài）剖（pōu）麵探測中是固定的，當地下介質的波速 為（wéi）已知時，通過（guò）觀察到的精確（què）的t值（1s=109ns），由上式便求出反射（shè）體的深度（dù）Z。雷達（dá）圖像以脈衝反射波的波形形式記錄，波（bō）形（xíng）的正（zhèng）負峰分（fèn）別以黑白色表示，或對（duì）其記錄剖麵（miàn）以灰階或者彩色表示，這樣同相軸或灰階度、等色譜即可（kě）形象地表征出地下反射麵分布。
3 地質雷（léi）達目標波相識別要點
為獲得雷達探測的結果，需要對雷達記錄進行數據處理與判讀，判讀是理論與實（shí）踐相結合的綜合分析，需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經驗。雷達記錄（lù）的判讀也叫雷（léi）達記錄的波相識別或波相分析，它是資料解釋的（de）基礎。在此首先介紹波相分析的（de）基本要點。
3.1 反射波的振幅與方向
從反射係數的（de）菲涅耳（Fresnel）公式中可以看（kàn）出兩點：
第一點反射振幅的大（dà）小，界麵兩側介質的電磁（cí）學性質（zhì）差異越大，反射波越強。從反射振幅上可以判定兩側介質的性質、屬；第二（èr）點反射波（bō）的極性，波從介電常數小（xiǎo）進入介電常數大的介（jiè）質時，即從高（gāo）速介質進入低速介質，從光疏進入光密（mì）介（jiè）質時，反射係數為負，即反射（shè）波振幅反向。反之，從低速進入（rù）高速介質，反射波振幅與入射波同向。這是判定界麵兩側介質性質與屬性的又（yòu）一（yī）條（tiáo）依據（jù）；如從空氣中進入土層、混凝（níng）土（tǔ）反射振幅反向，折射波不反向。從（cóng）混（hún）凝土後邊的脫空區再反射回來時，反射波（bō）不（bú）反向，結果脫空區的反射與混（hún）凝土表麵的反射方向（xiàng）正好相反。如果混（hún）凝土後邊充滿水，波從該（gāi）界麵反射也（yě）發生反向，與表（biǎo）麵反射波同向，而且（qiě）反射振幅較大。混凝土中的鋼筋，波速近乎為零，反（fǎn）射自然反向，而且反射振幅特別強。因而，反射波的振（zhèn）幅和方向特征是雷達波判別（bié）最（zuì）重要依據。
3.2 反射波的頻譜特性（xìng）
不同介質有不（bú）同的結構特征，內部反射波的高、低頻率特征明顯（xiǎn）不同，這可以作為區分不同物質界（jiè）麵（miàn）的依據。如混凝土與岩層相比，比較均質，沒有岩石內部結構複雜，因而圍岩中內反射波明顯，特別是高頻波豐富。而混凝土內部反射波較少（shǎo），隻是有缺陷的地方有反射。又如，表麵鬆散土電磁性質比較均勻，反射波較弱；強風化層（céng）中礦物按深度分化布，垂向電（diàn）磁參數差異較大（dà），呈現低頻大振幅連續反射；其下的新鮮基岩中（zhōng）呈現高頻（pín）弱振幅反射，從頻率特性中可清楚地將（jiāng）各層（céng）分開。如圍岩中的含水帶也表現出低頻高振幅的反射特征，易於識別。節理帶、斷（duàn）裂帶結構破碎，內部反射和閃射多，在相（xiàng）應走時位置表（biǎo）現為高頻密（mì）紋反射（shè）。但由於破碎帶的散射和吸收作用，從（cóng）更遠的部位反射回來的後續波能量變弱（ruò），信號表現為平靜區。
3.3 反射波同向軸形（xíng）態特征
雷達記錄資料中，同（tóng）一連續界麵的反射信號形成同相軸，依據同向軸的時間、形態、強弱（ruò）、方向反正等進行解釋判斷是地質解釋最重要的基礎。同向軸的形態與（yǔ）埋藏的物界麵的形態並非完全一致，特別（bié）是邊（biān）緣的反射效（xiào）應，使得邊緣形（xíng）態有較大的差異。對於孤立的埋設物其反射的同向軸（zhóu）為向下開口的拋物（wù）線，有限平板界麵反射的同向軸中部為平板，兩端為半支下開口拋物線。
4 隧道二襯檢測常（cháng）見脫空（kōng）病（bìng）害分析
在公路或鐵路隧道二襯無損質量檢測中，常見的病害（hài）主要有脫空、不密實、二（èr）襯鋼筋網缺失、單層（céng）鋼筋網。
4.1 脫空
脫空一（yī）般指隧道二（èr）次襯砌與初襯（chèn）之間（jiān）的空隙，常見的脫（tuō）空（kōng）主要有二次襯砌背（bèi）後的脫空、二襯（chèn）混凝土兩板接縫處的三角脫空（kōng）。二襯背後脫空此（cǐ）類缺陷產生的主要原（yuán）因是二襯混凝土硬化後收縮形成的收縮縫或者由於澆築混（hún）凝土時模板的變形、台架下沉而形成；三角脫空多發生在拱頂的兩板混凝土接縫位置，主要是由於施工過程（chéng）中的振搗不到位（wèi）及泵送機的壓力原因。在隧道建設中是最（zuì）常見的問題之一，脫空的地質雷達圖像特征是襯（chèn）砌界麵（miàn）反射信號強，三振相明顯（xiǎn），在其下部仍有強反射界麵的信號，兩（liǎng）族信號時程差較大，出現多次（cì）反射波，同相軸呈弧形，並（bìng）與相鄰道之間發生相位錯位，且其能量明顯增強[1]。 4.2 不密實
不密（mì）實（shí）病害主要出現在二襯混凝土的澆築過程中，由於振搗不到位（wèi），在（zài）重力作用下，混凝土發生離析，地質雷達的圖像特（tè）征主（zhǔ）要（yào）表現為襯砌界麵內的較（jiào）強的反射（shè）信號同相軸呈繞（rào）射（shè）弧形，不連續，較分（fèn）散[2]。如下圖5所示為二襯混凝內部不密實圖形特征。
4.3 二襯鋼筋網缺失
二襯鋼筋網缺失（shī）病害主要是指在設計要求二襯使用鋼筋（jīn）混凝土襯砌時部分施工單位偷（tōu）工減料（liào），在施工（gōng）過程中在部分段落（luò）不放鋼筋網或者少放鋼筋網的情況。在地質雷達圖像上鋼筋信號表現為尖（jiān）銳的拋物線形（xíng）態，信號能量強，可以直觀的統計出鋼筋數量[3]。對於（yú）二襯段落中不放和少放鋼筋網的情（qíng）況，在圖（tú）像上比較直觀。如下圖6、圖7所示為二襯鋼筋網缺失情況特征。
圖6 二襯混凝土鋼（gāng）筋網缺失 圖7 二襯混凝土隻（zhī）布置（zhì）單層鋼筋網
4.4 二襯鋼筋網間（jiān）距超標
二襯鋼筋網間距超（chāo）標在二襯無損（sǔn）檢測過程中也是常見病害，主要由（yóu）於施（shī）工（gōng）單位（wèi）未按照設計要求的間距進行鋼筋布（bù）置，通過增大鋼筋間距達到節省鋼筋的目的，在地質雷達圖（tú）像是表現為鋼筋信號間間距超出設計資料要求。如下圖8所示為二襯鋼筋間距超標的情況特征。
圖8 二襯混凝土鋼筋間距超標
5 結（jié）語
本文列出的二襯地質雷達檢測病害為隧道檢測中的幾種較常見病害，對典型的病害圖像特（tè）征加以分析和探討，不能（néng）代（dài）表所有（yǒu）的雷達病害（hài）圖像類型。在地質（zhì）雷達檢測過程中，隧（suì）道的檢測條（tiáo）件是十分複雜（zá）的，除了電器設備的幹擾外，隧道牆壁、路基鐵軌、檢（jiǎn）測（cè）台車（chē）等都（dōu）會產生反射幹擾信號，因此（cǐ）對圖像（xiàng）的分析要綜（zōng）合各方麵情況，才（cái）能對隧道襯砌內部情（qíng）況作出精準的（de）判斷。
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