地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量

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1、检测与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.6No.33地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量1,22周黎明　王法刚(1.中国地质大学研究生院　2.长江科学院)摘　要　介绍隧道工程衬砌质量的地质雷达检测方法、原理和实际应用效果。关键词　衬砌质量　地质雷达　分辨率　　受诸多因素影响,隧道衬砌混凝土可能会出现得目标体的深度值(m)。当发射和接收天线沿物体不够密实、不够厚等工程质量问题。为及时发现隧表面逐点同步移动时,就能得到其内部介质剖面图道衬砌混凝土的质量问题,可利用具有快速高效、分像。图2是地质雷达检测混凝土质量的原理和记录辨率

2、高的地质雷达法沿测线扫描检测。示意图。记录图像中呈弧状的同相轴为混凝土缺陷地质雷达法检测内容主要为隧道衬砌混凝土密对电磁波的反射所引起。实性、脱空及厚度等。相关介质的物理参数见表1。从表1中可知:衬砌混凝土与围岩(花岗岩、砂岩、黄土等)之间存在着物性差异;缺陷部位衬砌混凝土被水或空气充填,与密实的混凝土的物性有明显差异。因此,采用地质雷达法对隧道衬砌混凝土质量进行检测是可行的。表1　与隧道衬砌相关的介质的物理参数电导率传播速度衰减系数介质介电常数-1-1-1/ms·m/m·ns/db·m空气100.30水800.50.0330.1砂岩60.04//灰岩

3、4～80.5～20.120.4～1花岗岩4～60.01～10.130.01～1混凝土4～201～1000.11/粘土5～402～10000.061～3001　检测原理图2　雷达记录示意图地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布。向被测物发射高频宽带短脉冲电磁波时,电磁2　探测深度与精度波遇到不同介电特性的介质就会有部分返回,接收地质雷达能探测到的物体的深度称为地质雷达反射波并记录反射的时间。根据接收到波的旅行时的探测距离。理论上可用雷达的探距公式进行计算间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料,可以推断得到,也可使用简易算法估算。商用地质雷达一般介质的内

4、部结构以及目标体的深度、形状等特征参允许介质的吸收损耗达到60dB。当介质吸收系数数(图1)。脉冲波走时:<0.1dB(这符合通常的地质环境),则Annan给出22t=4z+x/v了探测深度dmax简易估算式式中:x值在剖面探测中是固定的;v值3035dmax;或dmax;-1βσ(m·ns)可以利用现成数据或测定获得,由上式可〔收稿日期〕　2002-11-043国家自然科学基金重点项目[50139031]74岩土工程界　第6卷　第3期检测与分析-1式中:β是介质吸收系数,单位dB·m。σ是电频率也不同,可根据拟探测深度来选定天线的频率。-1导率,单位

5、ms·m。在实际工作中,目标体深度是频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高,但穿透一个非常重要的问题。如果目标体深度超出系统探距离小;频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率测深度的50%,那么地质雷达方法就要被排除。低,但是穿透深度大。时窗的选择是非常重要的,若分辨率决定了地球物理方法分辨最小异常介质记录长度(时窗)过短,则记录数据达不到目标体的的能力。分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率。研深度;过长,则增大了采集量,降低了效率。时窗的究表明地质雷达在垂直方向可探测到目标体的厚度选择可根据下式计算:为雷达子波波长的1/4倍。可用下式估算测试成果w=1.3×

6、(2×dmax)/v的垂直分辨率:λv4　资料解释b==44f铁路隧道内大多有电缆,检测过程中使用汽车水平分辨率与测点距离、Fresnel带直径有关。和钢管排架,它们对地质雷达的信号产生影响,给检当反射界面的埋深为H,发射、接收天线间的距离测工作及成果解释带来了一定的困难和误差。实际远小于H时,第一Fresnel带的直径按下式计算测量中往往采取以下方法减少它们对测量结果的影dλH响。首先通过FFT变换分析,利用数字滤波、反滤F=2波、偏移等手段压制随机的和规则的干扰波,提高信v式中:λ为雷达子波的波长,λ=。H为异常噪比。图4为处理前的地质雷达剖面图,

7、图5为处f体埋深的深度。实践表明,目标体水平尺寸为Fres2理后的地质雷达剖面。对比图4、5,处理前,同相轴nel带直径的1/4时,仍能接收到清晰的反射波。亦错断,波形较杂乱;经处理后,波形较规则,能量集即地质雷达的水平分辨率高于Fresnel带直径的1/中,界面清晰。4。由于Fresnel带的存在,当2个有限的目标体的间距小于Fresnel带时,则不易区分开。3　检　测检测时在各检测隧道段的拱顶、拱腰以及边墙3个部位(图3)分别布置检测剖面:拱顶为各隧道的正顶部附近、拱腰为隧道的起拱线以上1m左右,边墙为隧道的排水沟盖板以上1.5m左右。检测点定位以

8、各隧道施工单位所提供测量为准。为保证点位的准确,在各隧道壁上每5m作一标记,标上里程,当天线对