公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果解譯方法探討

趙文軻 秦 峰 王連成

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果解譯方法探討

趙文軻 秦 峰 王連成

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

介紹了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)襯砌的原理與檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理流程，從二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度、鋼筋分布、密實(shí)情況三方面，探討了公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的解譯方法，有效提高了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性。

隧道襯砌，地質(zhì)雷達(dá)，解譯方法，鋼筋

0 引言

隨著我國(guó)公路事業(yè)的快速發(fā)展，公路隧道襯砌病害問題也隨之而來。地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)也被廣泛的應(yīng)用到隧道建設(shè)運(yùn)營(yíng)過程中去，如隧道運(yùn)營(yíng)中二次襯砌空洞造成的滲漏水、襯砌密實(shí)情況和鋼筋分布情況的檢測(cè)驗(yàn)收等等，并且隨著地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)方法的日趨成熟，該項(xiàng)方法也已經(jīng)被列入規(guī)范中去。但是地質(zhì)雷達(dá)作為一種方法，檢測(cè)結(jié)果提供的是一種數(shù)據(jù)，提供的是雷達(dá)圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后很多病害問題需要有經(jīng)驗(yàn)并且了解隧道襯砌結(jié)構(gòu)的人員進(jìn)行解釋、解譯。怎樣盡量將大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)和圖像呈現(xiàn)出來，指導(dǎo)隧道襯砌病害的處置及設(shè)計(jì)是非常重要的。本文將探討公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的解譯方法。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)襯砌原理及應(yīng)用情況

地質(zhì)雷達(dá)法通常是一種甚高頻至微波段電磁波反射探測(cè)法，它利用發(fā)射器通過發(fā)射天線向隧道襯砌與中定向發(fā)射電磁波，工作時(shí)天線密貼在襯砌表面，儀器與工作人員均在高空作業(yè)車上或汽車內(nèi)，共同隨汽車的勻速行駛向前移動(dòng)。傳播的電磁波當(dāng)遇到有電性差異的界面時(shí)即發(fā)生反射，通過反射情況計(jì)算深度，再根據(jù)反射波的形狀、線度及其在橫向和縱向上的組合特征和變化情況，結(jié)合檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)特征，判斷目標(biāo)性質(zhì)即進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，進(jìn)行地質(zhì)解釋，如襯砌厚度、空洞和鋼筋分布等(見圖1)。

根據(jù)雷達(dá)電磁波傳播原理，可導(dǎo)出地質(zhì)雷達(dá)方程為：

(1)

其中，Pr為接收機(jī)接收到的功率，W；Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率，W；R為天線到目標(biāo)的距離，m；Ar為天線有效面積，m2；G為天線增益，dB；Q為目標(biāo)截面面積，m2；λ為空氣中的雷達(dá)波波長(zhǎng)，m；f為雷達(dá)中心工作頻率，Hz；c為真空中的雷達(dá)波速度(光速)，3×108m/s。

(2)

其中，ω，σ，ε，εr，μ，υ分別為角頻率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、介質(zhì)的雷達(dá)波傳播速度。再通過速度和傳播時(shí)間計(jì)算深度。

對(duì)于病害公路隧道，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，可充分利用地質(zhì)雷達(dá)的特點(diǎn)，通過電磁波在介質(zhì)中的傳播特性，了解襯砌內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成，找出結(jié)構(gòu)缺陷及病害位置。一般選取中心頻率為400 MHz～900 MHz的雷達(dá)天線，可檢測(cè)隧道二次襯砌、初期支護(hù)及背后圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密實(shí)情況等。

隧道襯砌現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，一般布置3條～9條縱向測(cè)線(特殊情況下布置環(huán)形測(cè)線)，檢測(cè)時(shí)，利用檢測(cè)車或門式腳手架以3 km/h～5 km/h的車速進(jìn)行檢測(cè)。雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方式與測(cè)線布置示意圖見圖2，圖3。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)，通常的處理步驟有：截取直達(dá)波(地面調(diào)整)、濾波、增益調(diào)整、編輯剪切、距離歸一化、里程調(diào)整、反褶積、偏移歸位、希爾伯特變換、傅里葉變換等，如圖4所示。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的解釋，最終都以數(shù)據(jù)或者圖形的形式呈現(xiàn)。

3 檢測(cè)結(jié)果解譯方法探討

公路隧道襯砌常見的結(jié)構(gòu)病害有：二次襯砌厚度不足，二次襯砌不密實(shí)，二次襯砌鋼筋缺失、初期支護(hù)鋼架缺失等等。針對(duì)這些常見病害，該如何解譯，將檢測(cè)結(jié)果有效并且直觀呈現(xiàn)出來，是下面討論的主要內(nèi)容。主要從二次襯砌厚度、鋼筋分布和密實(shí)情況來討論。

3.1 二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度

通常情況下二次襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果都是以數(shù)字結(jié)果呈現(xiàn)，相關(guān)規(guī)范也要求了按一定間距進(jìn)行檢測(cè)并提供厚度值，但對(duì)于公路病害隧道，襯砌結(jié)構(gòu)在處置前的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)需要提供大量更詳盡的數(shù)據(jù)，且要將這些數(shù)據(jù)更直觀的呈現(xiàn)在報(bào)告中。為此，通過大量的實(shí)踐，我們通常將二次襯砌厚度結(jié)果呈現(xiàn)為除數(shù)據(jù)之外的另外兩種形式：二次襯砌厚度曲線圖和二次襯砌厚度等值線圖。

3.1.1 二次襯砌厚度曲線圖

將地質(zhì)雷達(dá)判讀的二次襯砌厚度和設(shè)計(jì)厚度同時(shí)繪制在圖表中，如圖5所示。這種圖表能直接準(zhǔn)確的將雷達(dá)測(cè)線范圍內(nèi)檢測(cè)到的襯砌厚度值和設(shè)計(jì)厚度值對(duì)比，直觀判斷襯砌欠厚的段落、范圍和程度，給病害處置設(shè)計(jì)和施工提供更直觀的結(jié)果。襯砌厚度曲線圖理論上需要更詳盡的檢測(cè)厚度數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)線里程，數(shù)據(jù)間隔越小，曲線越平滑，但這又受限于雷達(dá)的掃描速率和數(shù)據(jù)的處理工作量，通常我們建議按0.05 m～0.5 m的里程間距厚度值進(jìn)行繪制厚度曲線圖，盡量不要超過0.5 m，避免檢測(cè)厚度曲線圖出現(xiàn)鋸齒狀和失真。

3.1.2 二次襯砌厚度等值線圖

二次襯砌厚度等值線圖則是更進(jìn)一步將雷達(dá)檢測(cè)的多條縱向測(cè)線的二次襯砌厚度值綜合起來繪制成一副平面的等值線圖(見圖6)，類似于地面高程的等值線，其中采用了一些插值計(jì)算的方法，如克里格插值計(jì)算等。二次襯砌厚度等值線圖更加直觀的將整個(gè)隧道襯砌厚度缺陷情況呈現(xiàn)出來，采用不同的等值間隔和色彩繪制，讓處置設(shè)計(jì)和施工者從宏觀上了解隧道襯砌的欠厚段落和欠厚位置，利用顏色區(qū)分襯砌的欠厚嚴(yán)重程度等。繪制厚度等值線圖是一種根據(jù)有限的數(shù)據(jù)插值運(yùn)算得到的結(jié)果，為了保證圖像結(jié)果的準(zhǔn)確度，就要盡可能的加密測(cè)線，一般情況我們建議測(cè)線數(shù)大于7條，單條測(cè)線按不大于0.5 m提供判讀厚度，這樣才能保證厚度等值線圖有參考價(jià)值。

3.2 二次襯砌鋼筋分布

目前的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)能有效的檢測(cè)二次襯砌鋼筋的分布情況，鋼筋的數(shù)量和內(nèi)部位置等。采用成熟的解譯軟件，通過數(shù)據(jù)處理解釋可直接將二次襯砌鋼筋的分布情況標(biāo)注在雷達(dá)解釋圖譜上。病害檢測(cè)報(bào)告根據(jù)數(shù)據(jù)解譯情況提供二次襯砌鋼筋數(shù)量、分布、位置情況及雷達(dá)解釋圖譜(見圖7)。

3.3 二次襯砌密實(shí)情況

襯砌脫空是公路隧道最常見的病害，也是最容易引起襯砌質(zhì)量問題的病害。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)能有效的判定隧道襯砌結(jié)構(gòu)中不密實(shí)脫空的分布情況，但是由于雷達(dá)檢測(cè)方法的局限性，往往只能提供縱向測(cè)線范圍內(nèi)脫空的長(zhǎng)度分布，不能提供脫空范圍的環(huán)向分布范圍，所以針對(duì)一些特殊情況，應(yīng)增加環(huán)向地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，充分判定空洞的分布范圍。另外隧道襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)雜情況下，檢測(cè)人員在判讀解釋時(shí)，應(yīng)充分了解襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況和施工資料，避免將結(jié)構(gòu)預(yù)埋件等判讀為不密實(shí)情況(見圖8)。

4 結(jié)語

本文針對(duì)公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果解譯方法進(jìn)行了探討，提出了雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)果解譯時(shí)的一些方法，這些方法能有效的提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性。1)采用二次襯砌厚度曲線圖和二次襯砌厚度等值線圖的雷達(dá)結(jié)果解釋方法，能使檢測(cè)結(jié)果更直觀的展示給使用者，減少錯(cuò)誤解讀和使用效率；2)二次襯砌鋼筋檢測(cè)結(jié)果，對(duì)位置、間距和數(shù)量的直觀圖譜呈現(xiàn)，能更準(zhǔn)確的提供給結(jié)構(gòu)分析和受力計(jì)算者詳盡的參數(shù)依據(jù)；3)二次襯砌密實(shí)情況的判讀解釋應(yīng)盡量建立在更詳盡的檢測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)充分了解的基礎(chǔ)上。

[1] 粟 毅，黃春琳.探地雷達(dá)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 金一慶.數(shù)值方法[M].北京：機(jī)器工業(yè)出版社，2002.

[3] JTG F60—2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 重慶市交通委員會(huì)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局.重慶公路隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)指南[Z].2015.

Discussion on interpreting method of detection results of lining structure radar in highway tunnel

Zhao Wenke Qin Feng Wang Liancheng

(ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.，Ltd，Chongqing400067，China)

This paper introduced the geological radar detection lining principle and the treatment process of detection data, from the secondary lining structure thickness, reinforcement distribution, density situation three aspects, discussed the interpretation method of highway tunnel lining structure radar detection results, effectively improved the intuitiveness and accuracy of geological radar detection results.

tunnel lining, geological radar, interpretation method, reinforcement

1009-6825(2017)05-0192-03

2016-12-05

趙文軻(1984- )，男，碩士，工程師

U455.91

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