地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题

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1、地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题主讲人：仇文革教授西南交通大学二OO五年六月二十一日随着国家陆路交通的不断发展，铁路公路隧道的数量也在逐年增加，同时在运营过程中暴露出来的隧道病害也在连连告急。这就需要一种高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速的检测方法来适应这种发展，使隧道病害能够提前得到治理。地质雷达检测方法可以对隧道衬砌混凝土厚度、密实性、脱空等进行快速检测，它不仅克服了传统上以点盖面的只靠目测和打孔抽查来对隧道质量进行不全面检测的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率、能快速、高效

2、的进行无损检测的方法，在隧道工程质量检测中得到广泛的应用。前言虽然地质雷达在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用，但就检测过程中所要特别注意的问题（雷达波速的标定、地质雷达天线频率的选择、地质雷达图像的定位等问题）、检测设备所存在的问题（地质雷达天线的轻型、小型化以及隧道检测专用检测车的设计等问题）、后处理问题（缺陷中空洞的准确定位、标准图谱库的建立、检测结果的快速及可视化等问题）等均有待进一步得到解决。以下就上述问题开展一些讨论。在地质雷达检测的测线上，用钻机在混凝土上钻透衬砌混凝土，然后再用尺量出混凝土衬砌的实际

3、厚度(d)，并从地质雷达图像上读出钻取位置处衬砌混凝土反射层面的双层走时，再根据式(1)即可求出波速。波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1钻芯法测混凝土衬砌厚度式（1）使用激光断面仪（见图1）对隧道初支/二衬前断面进行检测（见图2），待初支/二衬完成后在同一断面再次进行检测（见图3），通过相同位置两次检测结果的差值（见图4），可得出检测断面初支/二衬的准确值。再根据式（1）利用此准确值对地质雷达在初支喷混凝土/二衬混凝土中传播的波速进行标定。波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.

4、1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度图1BJSD-2型隧道限界检测仪图2初支/二衬前断面检测示意图图3初支/二衬后断面检测示意图波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度图4初支/二衬厚度检测示意图图5拱顶测线处厚度及雷达图像从图5可知，d=0.236m，雷达波双程走时为4ns，根据式（1）求出波速为0.118m/ns。已知整个检测断面的初支/二衬厚度，可将不同测线在此断面的波速分别求出，再对其进行综合分析，求出综合的波速值。从这点出发，要比钻芯法求衬砌厚度的方法在科学性、准

5、确性（精度）上都优越得多。波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度使用激光断面仪对隧道开挖轮廓或衬砌净空进行检测（见图6～9），不仅可以对地质雷达波速进行标定，而且还可以评价隧道开挖及隧道净空是否满足设计要求。从而达到了多个检测项目相结合的效果。图6新建公路隧道断面检测照片1图7新建公路隧道断面检测照片2波速标定问题1.1直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度图8既有铁路隧道断面检测照片1图9既有铁路隧道断面检测照片2当衬砌背后存在明显空洞

6、时，检测到的波谱图像中将存在抛物线。从而可通过在速度(V)处输入不同速度值进行拟合，当抛物线与图像中存在的抛物线完全拟合时，该速度即为衬砌混凝土的速度（如图10所示）。波速标定问题1.2间接法（雷达宽角速度测量法）图10衬砌混凝土内波速拟合示意图波速标定问题1.2间接法（雷达宽角速度测量法）从图11可知波谱图像中抛物线的形成原因，在图中可任取两个点对速度进行拟合。由其关系可推导出速度拟合公式如下：式（2）图11抛物线成因示意图波速标定问题1.3混凝土龄期对雷达波速的影响问题由相关文献知：利用地质雷达技术检测混凝土内

7、部缺陷体时，混凝土龄期越短，探测缺陷体的效果越好。这就说明随混凝土龄期的不同，其介电常数是有差异的。从而提出龄期对雷达波速有影响的问题。地质雷达天线频率的选择问题频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高、精度较高、能量衰减较快、探测深度较浅；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低、精度相对较低、能量衰减较慢、探测的深度较深。各频率天线详见表1、图12所示。图12RAMACⅡ型地质雷达各频率天线序号天线(MHz)土壤中(m)岩石中(m)备注1252540250203031001220420081552505106500

8、3.55780023.5810001.53表1不同天线的穿透深度地质雷达天线频率的选择问题表2检测厚度与天线频率选择对照表序号探测目标及深测深度（cm）天线频率（MHz）备注1喷混凝土（10～20）10002模筑混凝土(30～100)5003衬砌背后围岩（200～300）200；100因此，选用天线时，应根据隧道混凝土厚度及检测要求来确定天线的频率，详见表2