探地雷达在水工隧洞质量检测中的应用

2020-11-26 来源：好走旅游网

水利水电技术　第39卷　2008年第10期

探地雷达在水工隧洞质量检测中的应用

邓中俊,姚成林,贾永梅,朱新民,罗雄杰,王毅斌

(11中国水利水电科学研究院,北京　100038;21深圳市水务综合服务有限公司,广东深圳　518001)

摘　要:介绍了探地雷达应用于深圳市东江水源工程引水隧洞质量检测的结果,经现场钻孔验证,探

地雷达抗干扰能力强,检测速度快、精度高、结果较准确可靠。关键词:探地雷达;水工隧洞;质量检测;东江水源工程

中图分类号:TV698114(265)　　　　文献标识码:B　　　　文章编号:100020860(2008)1020108205

ApplicationofgroundpenetratingradartoqualitydetectionofhydraulictunnelDENGZhong2jun,YAOCheng2lin,JIAYong2mei,ZHUXin2min,LUOXiong2jie,WANGYi2bin

(11ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing　100038,China;21ShenzhenWaterIntegratingServiceLTD1,Shenzhen　518001,Guangdong,China)

Abstract:TheresultofthedetectionmadebygroundpenetratingradaronthewaterconveyancetunnelforDongjiangwatersourceprojectinShenzhenisdescribedherein1Itisverifiedbythesitedrillingthattheradarhasthemeritsofstronganti2jammingca2pacity,fastdetection,highprecisionandmorereliableandcorrectresult1

Keywords:groundpenetratingradar;hydraulictunnel;qualitydetection;DongjiangWaterSourceProject

1　引　言

我国幅员辽阔,由于城市规模不断扩大,地区水资源存在明显差异,我国近年来建设了很多调水工程,如南水北调工程、山西万家寨引黄工程、深圳东深和东江引水工程、云南掌鸠河引水工程等。在调水工程中,水工隧洞是常见的建筑物。水工隧洞深埋地下,地质条件十分复杂,除承受较大的围岩压力,还要承受较高的外水压力和内水压力。由于技术与认识的局限、规范不完善、施工质量不佳、结构基础和建筑物本身存在的问题及运行管理等诸多不利因素的综合作用,致使为数不少的水工隧洞存在不同程度的病害,有些已严重影响工程安全运行。为了保证水工隧洞安全运行,必须全面了解水工隧洞的缺陷和质量状况,因而需要进行安全质量检测和评估,为工程修补加固提供科学的依据。

探地雷达以其非破坏性实时检测、抗干扰性强、分辨率高、操作方便等特点,在浅层工程勘察、工程检测中被迅速推广应用。实践证明,探地雷达应用于隧洞检测时,可以查找出衬砌混凝土内部缺陷,并能

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分辨出几厘米至十几厘米厚介质内部的薄层,可以探测出水工隧洞中钢拱架、钢筋网的位置,识别隧洞衬砌与围岩间的脱空、空洞和破碎区等各种影响隧洞安全运行的缺陷,并可实现连续测量,及时、有效、准确地评价隧洞衬砌的质量,具有其他检测手段不可比拟的优势。我们通过对深圳市东江水源工程引水隧洞质量现场检测验证,结果表明探地雷达检测精度较高,效果较好,值得推广。

2　探地雷达的基本原理

探地雷达类似于探空雷达,通过发射天线以脉冲形式向地下发射高频电磁波,对隐蔽目标体进行全断面扫描。具体工作方式是:当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波,电磁波信号在介质内部传播时遇到介电常数差异较大的介质界面时,就会发生反射和折射。两种介质的介电常数差异越大,反射的电磁波能量也越大;反射到地面的　　　　　　　　　　收稿日期:2008205208

作者简介:邓中俊(1982—),男,助理工程师,工学硕士。

WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol139No110

邓中俊,等∥探地雷达在水工隧洞质量检测中的应用

电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后,由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特

征,再通过信号技术处理,形成全断面的扫描图。工程技术人员通过对雷达图像的判读,判断出地下目标物的实际结构情况。

对接收信号实施适当的处理,以改善信噪比,为进一步解释提供清晰可辨的图像。

数据处理的目标是去除随机干扰和规则干扰,以尽可能小的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波信号,提取有用的参数以便于探测结果的解释。处理方法有:Subtract2DC2Shift(1维滤波/去直流漂移)、Move2start2time(静校正/移动开始时间)、Energyde2cay(增益/能量衰减)、Subtractingaverage(二维滤波/抽取平均道)、Bandpass2Butterworth(一维滤波/巴特沃斯带通滤波)和Runningaverage(二维滤波/滑动平均)等。

图像解释的目的是识别存在的异常,通过仔细判读信息处理后的雷达图像,对检测波形的时间剖面、波形及振幅的变化规律的对比分析,才能对隧道初期支护喷涂混凝土厚度、衬砌与围岩之间是否存在空洞及不密实等工程质量进行综合评判。下面结合深圳东江水源工程引水隧洞探地雷达检测实例,来说明通过雷达图像对水工隧洞中常见缺陷的判别。411　钢拱架与钢筋网的识别

当混凝土中存在钢筋时,将产生连续点状强反射信号;当混凝土中有钢拱架时,将出现特别强的月牙形反射信号,每一信号表示有一钢拱架。

图1中,均匀分布的较大月牙形凸起为钢拱架的反射信号,两钢拱架之间连续点状信号为一次支护拱架间的钢筋网,图中从上至下的连续的带状信号为衬砌表面伸缩缝所引起的干扰。

[2]

3　检测方法

311　探地雷达检测仪器及天线选择

针对水工隧洞混凝土衬砌厚度、隧洞内部检测的特点和检测精度要求,探测选用RAMACCUII型探地雷达,利用测距轮触发天线控制开关,可自动、均匀、连续记录数据,数据采集效率高,最小测点间距为0101m,误差范围为±012%。

在隧洞内检测,需根据被检混凝土厚度选择天线的频率,宜选用500MHz至1000MHz的屏蔽天线,500MHz天线用于检测隧洞衬砌质量情况、钢拱架和围岩情况,1000MHz天线用于检测重点部位的混凝土内钢筋和缺陷,以便现场标出钢筋位置,为后续钻孔和灌浆提供施工依据。312　测线布置水工隧洞按截面形状通常分为圆形、马蹄形和城门型,参照《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》的要求,以纵向测线为主、横向测线为辅。以城门型隧洞为例,检测布置五条测线,其中拱顶一条,左、右拱腰各一条,左、右边墙各一条,左右位置在隧洞内按顺水流方向确定。313　现场技术措施

为了减少测量误差,现场检测应采取一些技术措施:检测前进行测距轮校正,检测中应根据现场桩号做好标记,为避免测距轮的累计误差,以每100m分段检测;检测过程中尽量使天线匀速前进,保持天线底面与被测面平稳接触,且测线布置应尽量避开干扰源;在拱顶测线检测时,检测速度放慢,应使用拉簧保持测距轮紧贴衬砌表面,天线底面不脱离拱顶等。

4　数据资料分析

探地雷达图像与地震波图像类似,以脉冲反射波的形式记录,以波形或灰度显示探测雷达剖面图。探地雷达探测资料的解释包括两部分内容,一为数据处理,二为图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质,使得脉冲到达接收天线时,波幅减小,波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外,不同程度的各种随机噪声和干扰也影响实测数据。因此,必须

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图1　一次支护中的钢拱架

图2中,连续的网状格栅表示二次衬砌存在连续

分布的钢筋网,其中较多凸起的顶部表示每根钢筋所在的位置,从图像上可以准确读出每根钢筋的具体位置和钢筋的间距。412　隧洞中缺陷的识别

(1)衬砌中的不密实和空洞。

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不易填满,后期混凝土凝结收缩,在伸缩缝两侧出现的三角形脱空,该脱空离衬砌表面最薄处不足10

cm。图6所示也是在隧洞顶部由于回填灌浆施工混凝土用料不足引起的大范围连续脱空,脱空范围长约8m,脱空厚度约50cm。这种脱空常常会存有大量积水,对隧道构成较大的危害。

图2　二次衬砌中的钢筋网

当衬砌内不密实或存有空隙时,由于空气与混凝

土介电常数差别较大,电磁波在混凝土与空气界面以及空气与围岩界面传播时会产生强反射,当空洞比较大时,界面清晰可见。在探地雷达剖面图上主要表现为在混凝土层以下出现多次反射波,同相轴呈弧形,并与相邻道之间发生相位错位,且其能量明显增强。图3和图4分别为衬砌中的不密实和空洞的雷达图像。

图5　衬砌中的三角形脱空图6　衬砌中的连续脱空

(3)围岩中的空洞和裂隙。

图3　衬砌中不密实区

围岩中的空洞和衬砌中的空洞在雷达图像上特征

类似,出现在较深层的围岩中,如图7所示。裂隙在雷达图像上表现为倾斜的条带状异常,是由岩石中较小的裂隙随着隧洞的运行逐渐发育形成,图8所示为围岩中裂隙的典型雷达图像,这种较大的裂隙不进行处理将严重危害隧洞的安全。

图4　衬砌中存在空洞

(2)衬砌与围岩间脱空。

图5所示为隧洞顶部的典型三角形脱空,形成原

因是在顶部衬砌施工过程中,在两模板结合处混凝土

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图7　围岩中的空洞

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晰、易于解释的雷达记录;但在条件不好时,探地雷达在接收有效信号的同时,不可避免地接收到各种干

扰信号。产生干扰信号的原因很多,隧道常见的干扰有电缆、衬砌表面金属物体、天线耦合不好及地下异常的多次波等,干扰波一般都有特殊形状,易于辨别和确认。

5　现场验证

图8　围岩中的裂隙

为验证雷达检测的效果和准确度,同时为隧洞修补方案的制定提供准确的依据,在隧洞检测现场抽取了一些严重缺陷的洞段进行现场钻孔验证。图11所示雷达图像显示:二次衬砌欠厚,最薄处离衬砌表面仅8cm,且衬砌后部存在大范围蜂窝组织,空洞较多。钻孔结果显示衬砌后部12cm出现空洞和不密实区,钻孔穿过衬砌后阻力大大减小,且随钻杆深入,有大量积水从钻孔喷出,显示衬砌后部积水较多。可见,钻孔结果验证了探地雷达检测结果的准确性。(4)围岩破碎及蜂窝。

当围岩破碎时,雷达图像上出现零乱、不连续的强反射能量异常,其形成原因主要是由于隧道开挖时的超挖、塌陷造成围岩松散,后用片石或其他材料回填不密实所致,如图9所示。由于片石间存在空隙,在探地雷达图像上表现出杂乱的强反射,这种不密实,往往伴随着较多小的空洞和裂隙存在,形成蜂窝,如图10所示。

图11　衬砌欠厚,围岩不密实

图9　围岩中的破碎带

图12　衬砌钢筋网后存在空洞

图10　围岩中的蜂窝

探地雷达图像异常的识别和解释是一个经验积累

的过程,需要进行大量的工程实践,需进行不断总结和归纳。在地质和地表条件理想的情况下,可得清

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图12所示为一段钢筋混凝土衬砌洞段,圈出位

置为钢筋网后部存在空洞,由于钢筋网图像的覆盖,缺陷图像不太明显,为验证空洞切实存在,需钻孔验证。由于这一洞段钢筋网覆盖密集,为避免钻孔时破

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坏衬砌钢筋网结构,需要确定适当位置进行钻孔,根据雷达图像,空洞范围为距衬砌表面50～110cm,该位置位于两截钢筋网之间的结合处,有60cm长度范围没有覆盖钢筋网,适合钻孔。按照图示位置及方向进行钻孔,结果显示钻孔过程中没有钻到钢筋。钻孔位置及方向如图12中箭头所示。钻孔取样结果显示距表面45cm后出现空洞,与雷达检测结果一致。

此外,还对图3、图5所示缺陷的洞段进行了现场钻孔验证,钻孔结果与雷达检测结果一致,通过以上现场验证表明:探地雷达在水工隧洞的质量检测中准确度高,检测结果可靠。

检测速度快,精度高,数据处理方便,检测结果可为加固水工隧洞工程设计提供可靠的依据,值得进一步推广。

探地雷达在水工隧洞质量检测中尚有一些技术问题需要进一步深入研究,主要有以下几个方面:(1)空洞的深度较难准确判断;(2)钢筋混凝土衬砌洞段难以识别衬砌后部缺陷;(3)不能准确判断分布没有规律的混凝土中钢筋其数量、位置;(4)衬砌表面含水时,缺陷判别有误差。

我们相信,随着探地雷达在水工隧洞质量检测中的广泛应用,必将在理论与应用领域方面获得越来越多的新成果。参考文献:

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6　结　论

探地雷达作为一项较为成熟的检测技术,目前已

在许多土木工程中得到应用。但是,在水工隧道质量检测方面的应用还不够广泛,我们通过对深圳市东江水源工程引水隧洞检测实践表明,采用探地雷达可检测衬砌中或衬砌与围岩之间存在的空洞、裂隙、蜂窝、破碎带及不密实区等危害水工隧洞安全的主要缺陷,还可为水工隧洞的维修施工找出钢筋、钢拱架的准确位置,以避免由于维修施工给隧洞安全造成二次损害。探地雷达操作简单,性能良好,使用稳定可靠,

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(责任编辑　欧阳越)

(上接第93页)

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(责任编辑　欧阳越)

(上接第96页)

是系统的总的过流能力、洗盐干管过流能力,还是田间配水管道过流能力都将比设计值增大,输水管道系统可满足同时洗盐和灌溉的需水流量要求,田间管道工程系统也能够满足一次洗盐定额较大的需求。节水灌溉系统按照合理的运行调度方式,对洗盐时间进行合理的调配,完全可以达到用一套灌溉系统解决灌溉和洗盐两大问题之目的。

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(责任编辑　欧阳越)

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