地质雷达无损检测技术在公路隧道中的应用

科技情报开发与经济　ＳＣＩ—ＴＥＣＨ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ　２０１１年第２１卷第３２期　文章编号：１００５—６０３３（２０１１）３２－０２２７－０２　收稿日期：２０１１０－９—２７　地质雷达无损检测技术在公路隧道中的应用　刘志蒙　（山西省煤炭规划设计院，山西太原，ｏ３０ｏ４５）　摘要：介绍了工程概况及隧道结构，讨论了无损检测方案的设计，分析了无损检测技　术图像，指出地质雷达无损检测技术应用于公路隧道具有高效、快捷的特点，探测结果　图像清晰，探测精度高。　关键词：地质雷达无损检测技术；公路隧道；探测精度　中图分类号：Ｕ４５　文献标识码：Ａ　１工程概况及隧道结构　局部可达２０条，ｍ，，白云岩较为破碎；微风化的白云岩节理裂隙　发育程度主要依靠钻孔内岩芯破碎或完整程度定性确定，根据　某高速公路隧道已贯通，二衬与初期支护混合施工，现场检　现阶段钻探与物探结果，微风化岩体的岩芯长度一般在２０　ｃｍ～　测环境相对较差。利用地质雷达主要是对初期支护和二衬内部　３０　ｃｍ，平均长度约２５　ＣｌＴＩ左右，岩芯普遍较为完整，多呈长柱状，　进行缺陷、厚度钢拱架间距及数量等检测，为提高隧道施工质量　节理裂隙以高角度为主，节理裂隙密度总体积数约为１０条，ｍ，，　提供依据。　岩体较完整～较破碎。隧道围岩岩土力学指标可参考表１（微风化　该高速公路隧道所穿越的山体为六棱山南麓的厚层黄土覆　指标）。　盖的基岩残丘区，隧道设计为左右线分离式。左线隧道：ＬＫ５７＋　表１岩土物理力学指标表　８１５～ＬＫ５７＋８７５、Ｉ　Ｋ５８＋１９０～ＬＫ５８＋２３４、ＬＫ５８＋２７４￣ＬＫ５８＋３８０、　岩土　物理力　密度，　饱和极限抗压　泊松比　弹性模量　内摩撙　ＬＫ５８＋５５０～ＬＫ５８＋６２５里程范围内为Ⅱ类围岩，ＬＫ５７＋８７５～　名称　学指标　（　ｃ　）　强度ＲｃｌＭＰａ　，ＭＰａ　角，（ｏ）　白云岩　试验值　２．７５～２．７８　５４—８５　０．２２￣０－３５　１．９４ｘｌｆ－６．８７ｘｌｆ　４　４８　ＬＫ５８＋１９０、ＬＫ５８＋３８０一ＬＩ（５８＋５２０里程范围内为Ⅳ类围岩，ＬＫ５８＋　采用值　５０—６Ｏ　２３４～ＬＫ５８＋２７４、ＬＫ５８＋５２０～ＬＫ５８＋５５０里程范围内为Ⅲ类围岩；　右线隧道：ＲＫ５７＋８０５～ＲＫ５７＋８７０、ＲＫ５８＋１９０～ＲＫ５８＋２４０、ＲＫ５８＋　２无损检测方案的设计　２８０～ＲＫ５８＋４００、ＲＫ５８＋５２０一ＲＫ５８＋５５０里程范围内为Ⅱ类围岩，　利用ＳＩＲ一２０型探地雷达和９００　ＭＨｚ天线，对某高速公路段　ＲＫ５８＋２４０～ＲＫ５８＋２８０里程范围内为Ⅲ类围岩，ＲＫ５７＋８７０一　内隧道进行了施工质量检测。其主要目的：一是检验隧道不规则　ＲＫ５８＋１９０、ＲＫ５８＋４００～ＲＫ５８＋５２０里程范围内为Ⅳ类围岩。　岩面和初衬之间、初衬和二衬之间是否存在空洞或空隙。二是初　隧道起讫里程分别为：左线ＬＫ５７＋８１５～ＬＫ５８＋６２５，全长８１０　衬和二衬的衬砌厚度是否符合设计要求。三是钢骨架和钢筋的　ｍ；右线ＲＫ５７＋８０５一ＲＫ５８＋５５０，全长７４５　ｍ，断面净宽９．７５　ｍ，限　分布是否符合设计要求。　高５．０　ｍ。隧道围岩主要由第四系中更新统冲洪积（Ｑ　）硬一可　雷达检测时，天线与隧道衬砌面贴紧，沿测线连续滑动，雷　塑黄土（粉质黏土）及震旦系高于庄组（Ｚｌｇ）白云岩组成，以松软　达主机发射高频脉冲信号，进行匀速连续采集，雷达时间剖面上　土和软质岩为主，地质构造较为稳定，水文地质条件较为简单，　各测点的位置和隧道里程互相对应。为保证点位的精确，在隧道　两端洞口围岩稳定性较差。　测线上每５　Ｉｌｌ打标，标上准确的里程。当天线与标记起始点对齐　区域构造在隧址区地基岩层中表现为稳定的单斜构造，由　时，由操作仪器的工作人员同步向仪器发送指令，设定雷达记录　隧道顶部基岩残丘至洞口附近零星分布的基岩残丘整体量测，　中相应每５　ｒｆｌ作一个标记，５０ｍ或１００　ｒｌｆ的整数里程打一个大　岩层产状十分稳定，变化很小，产状为２３０。／＿＿２０。，岩层产状对洞　标。整理内业资料时，依照记录和标记的起、止标及采集过程中　体顶板稳定性影响较小。　复核的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程。测试专用车辆应　本隧道围岩由震旦系高于庄组（Ｚｌｇ）白云岩及第四系中更　使用专门为隧道检测设计的检测车，这样就基本上解决了对于　新统（Ｑ　）冲洪积型巨厚层黄土（粉质黏土）组成，为硬～可塑　施工或是运营中隧道的拱、腰部进行检测时天线与衬砌表面密　状。白云岩属微晶或粉粒晶质结构，块状构造。岩体为中厚层状，　贴不严密的问题。现场采集数据时的具体流程如下：　地表强风化岩体裂隙发育～很发育，露头测量的节理裂隙密度体　（Ｉ）天线的选择。针对具体检测隧道的实际情况，主要从分　积数一般超过２０条，ｍ。以上，岩体破碎；中风化岩节理裂隙较为　辨率、穿透力、介质吸收系数和稳定性等４个方面综合考量，选　发育，露头测量的节理裂隙密度体积数一般ｌ０条／ｍ３～１５条，　，　取了９００　ＭＨｚ天线（５０ｏ　ＭＨｚ天线作为备用）。９００　ＭＨｚ天线的特　２２７　刘志蒙地质雷达无损检测技术在公路隧道中的应用　本刊Ｅ－ｍａｉｈｂｊｂ＠ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ实践与创新　点是分辨率高，能够发现二衬间存在的缺陷，确定钢筋分布，精　确扫描二衬厚度。５００　ＭＨｚ天线较９００　ＭＨｚ天线分辨率低一些，　但穿透性好，其优势是检测不规则岩面和初衬之间是否存在空　行差异化分析，扬长避短，有效地解决数据处理中存在的问题，　得到了较为清晰、直观的地质雷达图像。在对缺陷的后期处理过　程中完全能够对缺陷区进行准确的定位，效果很好。　地质雷达典型衬砌典型图像分析：高速公路隧道边墙较其　他检测部位的测量环境相对优越，天线与检测表面接触紧密，采　集到的信号清晰且稳定，更加便于后期的分析和解译。右边墙拱　洞、脱空或空隙，还可以印证９００　ＭＨｚ天线的检测结果。　需要着重注意的是进行隧道拱顶及拱腰测量时，要做到将天　线贴紧衬砌表面非常困难，其原因是目前国内外采用的天线比较　“笨重”（尤其是低频天线）。工作人员由于重负不能持久，导致采集　架、钢筋网、衬砌等强反射图谱见图１。　由图１可以清楚地看到钢拱架及钢筋的强发射图像。　数据不理想。鉴于目前所拥有的技术，可以将天线供电部件（如电　瓶）作为外设部件，将其分离出来以减轻雷达天线的质量。另外，天　线材料的选取应该考虑选取轻质、硬度大、屏蔽好的材料。对天线　进行合理优化也是地质雷达天线未来发展的—个趋势。　（２）记录参数的设定。在选定测量天线后，进行了记录参数　的选取。根据现场初步调试分析，确定主要扫描参数如下：检测　专用车测量行驶中速度为５　ｋｍ／ｈ；以５１２个时间采样点为一道；　９００　ＭＨｚ天线的时窗（记采样记录长度）为１５　ａｓ，５００　ＭＨｚ天线　的时窗为５０　ｎｓ；由浅至深９点分段增益。在现场检测中，检测车　要尽量匀速，里程布设一定要明晰、精确。　（３）波速的标定。综合运用直接法（厚度反求速度法）和间接　法（雷达宽角速度测量法）来标定介质波速。在隧道不同围岩类　别区域标定波速，通过具体情况具体调整采集设定波速的方法，　（１）在检测过程中能够合理地优化检测交通工具等，采用专　图１右边墙拱架、钢筋网、衬砌等强反射图谱　４优化方案后的结果　门的检测车为仪器操作人员创造了较为安全、实用、便捷的环　境；优化采集天线重量；信号传输采用轻质材料的线缆等，为提　高检测效率提供了行之有效的途径。　（２）多种波速测定方法的互补、凭借丰富的工作经验对雷达天　标定有效、合理、真实的波速，避免了因介质不均等因素造成的　标定速度不精确问题的发生。　（４）干扰仪器信号的因素。目前，干扰仪器信号的因素主要　来自于外界，为此检测前尽可能营造一个良好的测量环境，具体　应该做到以下几点：一是检测前清除隧道内所有的附属物，如台　线精确的选取、不同雷达优势的互补等，造就了优质的采集信号。　（３）创造良好的信号采集环境，尽可能降低主观因素造成的　干扰信号，屏蔽出较为安静的外部环境，降低周围能够控制的噪　声，减少电脉冲、无线干扰信号等。　（４）通过对分析软件的优化、充实、完善，对采集到的优质信　车、模具、施工机械等金属干扰物。二是停止所有的作业以降低　噪声干扰等。三是对于不能清理的干扰物，如高压线、通信线路、　附近建筑物等，必须清楚地记录其位置，以备后处理阶段能够将　其精确地滤除或排除。　号或有限的数据进行准确、科学的分析，深入地挖掘出信号（即　使是优质信号，采集的数据量也是有限的）所隐藏的缺陷，为预　防、处置隧道缺陷提供有理有据的参考。　（责任编辑：邱娅男）　３无损检测技术图像分析　由于本次测线数据繁杂，本文只选取其中典型数据进行分　第一作者简介：刘志蒙，男，１９８２年９月生，２００７年毕业于　中国矿业大学能源学院交通运输专业，助理工程师，山西省煤炭　规划设计院，山西省太原市迎泽区朝阳街７４号，０３００４５．　析。数据分析过程中充分利用前期建立起来的标准图谱库的数　据，应用中国矿大开发出来的数据处理软件及其他分析软件进　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｒａｄａｒ　Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＬＩＵ　Ｚｈｉ－ｍｅｎｇ　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｉｓｃｕｓｓｅＳ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｎｏｎｄｅｓｔｕｃｔｒｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　Ｎｏｎｄｅｓｔｕｃｔｒｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｒａｄａｒ　Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｈｉｇｈ－ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ａｎｄ　ｑｕｉｃｋ，ｃａｎ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｃｌｅａｒｅｒ　ｉｍａｇｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ａｃｃｕｒａｃｙ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｒａｄａｒ　ｎｏｎｄｅｓｔｕｃｔｒｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　２２８