隧道衬砌地质雷达无损检测技术

隧道衬砌质量地质雷达无损检测技术

1 前言

1.1工艺概况

铁路隧道衬砌是隐蔽工程，用传统的目测或钻孔对其质量进行检测有较大的局限性；应用物理勘探的方法对隧道衬砌混凝土进行无损检测，可取得快速、安全、可靠的效果。

1.2工艺原理

电磁反射波法（地质雷达）由主机、天线和配套软件等几部分组成。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，当发射天线向被测介质发射高频脉冲电磁波时，电磁波遇到不均匀体(接口)时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到探测识别目标物体的目的(图1)。

图1 地质雷达基本原理示意图

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可据下式算出异常介质的埋藏深度H：

H V T

=??2 (1)

式中，V 是电磁波在介质中的传播速度，其大小由下式表示：

V C =ε (2)

式中，C 是电磁波在大气中的传播速度，约为3.0×108m/s ；

ε为相对介电常数，不同的介质其介电常数亦不同。

雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表示为：

212

1εεεε+-=r (3)

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。电导率越高，穿透深度越小；频率越高，穿透深度越小。

2 工艺特点

电磁反射波法（地质雷达）能够预测隧道施工中衬砌的各种质量问题，分辨率高，精度高，探测深度一般在0.5m ～2.0m 左右。利用高频电磁脉冲波的反射，中心工作频率400MHz/900 MHz/1500 MHz ；

采用宽带短脉冲和高采样率，分辨率较高；

采用可调程序高次迭加和多波处理等信号恢复技术，大大改善了信噪比和图像显示性能。

（1）操作简单，对工作环境要求不高；

（2）对衬砌隐蔽工程质量问题性质判断一般精度较高，分辨率可达到2～5cm ，检测的深度、结构尺寸以及里程偏差或误差小于10%，缺陷类型识别准确度达95%以上；

（3）通过专业的RADAN 6.0分析软件，专业的技术人员可以迅速的完成数据处理等。

3 适用范围

地质雷达有其适用范围和适用条件，目标体与周围介质是否存在足够的电性

差异，是探测工作是否有效的前提，这种电性差异就是介电常数；应根据不同的检测对象和检测要求选用不同的天线类型；适用条件，探测的目标体与周围介质有较大的介电常数差异并具有较好的反射条件；上覆层导电性较弱；目标体具有一定的体积，引起的异常有一定的强度；具有一定的探测对比资料。

该技术适用于隧道衬砌质量施工过程控制和竣工验收的无损检测。

4 主要引用标准

《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB 10753-2010）

《铁路隧道工程施工质量验收标准》TBl0417-2003

《铁路隧道衬砌质量无损检测规程施工规范》（TB10223-2004）

《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-2004）

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）

《云桂铁路石林隧道地质雷达无损检测实施细则》

云桂铁路石林隧道相关设计图纸以及相关施工资料。

5 施工方法

1、检测前的准备工作:

收集隧道工程地质资料、施工图、设计变更资料和施工记录；

进行现场调查，做好测量里程标记。

检测时应遵守有关安全规定，配备必要的安全防护人员及设备。

2、检测设备、照明机具工作电源要保证电量充足，能够保证一天的正常使用。

3、雷达主机、显示器、天线、电缆等设备之间连接良好，设备工作正常。

4、需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1m。

5、提前准确标记检测位置里程，提前采用红油漆每隔5m做一个标记，标记高度为轨面或路面上1m左右；现场检测时标记为5m/单标的里程标记方式；记录标记里程与现场标记里程允许误差±10cm。

6、测线布置应符合下列规定：

隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主，环向布线为辅（存在问题地段需要加密检测时布置环向测线）。雷达测线横断面布置如图2。

纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条；

环向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距5～10m；

采用点测时每断面不少于6个点。检测中发现不合格地段应加密测线或测点；

三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。

7、检测前，应先搭建隧道衬砌雷达检测台车或采用检测车，以便天线能到达检测测线位置。雷达检测台车现场检测方式见图3。

8、现场要求准确记录检测测线的高度和水平位置，准备受检隧道设计衬砌厚度(其中边墙衬砌设计厚度按内轨顶面以上1.0m计)，格栅、拱架设计区段及间距，围岩类型等资料，供现场数据采集参数设置和后期资料处理使用。

9、雷达天线频率的选择及测线的布置

根据以往进行地质雷达检测的经验，采用高频天线检测精度较高，但测量范围较小，采用低频天线检测精度较低，但测量范围较大。因此，针对本次检测的内容，决定采用400MHz或900MHz的雷达线6条测线。在现场利用工程检测车以小于5公里/小时的车速进行检测。对于有疑问处，采用钻芯取样进行破检检测。

左边墙

左

拱

腰

右

边

墙

右

拱

腰

拱

顶

仰

拱

图2 雷达测线横断面布置图

检测车

图3 现场检测方式示意图

10、介质参数的标定

1）检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道应不小于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。当隧道长度大于3km 、衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数。

2）标定可采用下列方法：

在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；

在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；

钻孔实测。

3）求取参数时应具备以下条件

标定目标体的厚度一般不小于15cm ，且厚度已知；

标定记录中界面反射信号应清晰、准确。

4）标定结果应按下式计算：

2)23.0(

d

t r =ε 9102?=t d ν 式中 r ε——相对介电常数

v ——电磁波速（m/s ）

t ——双程旅行时间(ns)

d ——标定目标体厚度或距离（m ）。

6 工艺流程及操作要点

6.1 工艺流程

衬砌质量地质雷达无损检测工艺流程如图4。

检测前的准备：清理检测场地，确保无障碍物，

每5m做一个里程标记

检测前：检查里程标记有无遗漏，连接主机和天

线，现场调整参数调试采集信号

检测过程：首先确保雷达天线和衬砌混凝土表面

密贴，然后采用每小时3KM的时速匀速移动，每

软件后处理：将采集的原始数据通过软件后处

理，设置零线、介电常数、滤波等

资料解释：将软件后处理的结果和设计

资料对比，得出检测数据和结论

反馈施工

图4 衬砌质量地质雷达无损检测工艺流程

6.2操作要点

1、现场检测人员要保证雷达天线密贴衬砌表面行进。

2、现场检测人员密切配合，保证天线实际检测位置与标记线位置吻合。

3、检测天线应移动平稳、速度均匀、考虑仪器扫描速度与实测条件，天线移动速度宜为3～5km/h匀速前进。

4、现场记录要保证记录测线号、方向、标记间隔及天线类型等，随时记录现场产生电磁波干扰的物体(如渗水、电缆、铁架等)及其位置。

5、纵向布线应采用连续测量方式，扫描速度不得小于40道(线)/s；特殊地段或条件不允许时可采用点测方式，测量点距不得大于20 cm。

6、建立完善的衬砌质量无损检测工作管理制度，按照建设标准化管理体系、招标文件、技术指南以及相关规范规定的要求和现场实际情况，开展检测工作。

7、定期对检测设备、仪表性能进行检查，确保在使用过程中一切设备运转

正常。

8、地质雷达无损检测资料是反映工程质量的重要依据之一，现场检测技术资料应随施工进度同步整理，按类型、时间归类，并保证及时、准确、真实，不得私自涂改、仿造、随意抽换、销毁、丢失，资料应做到内容齐全真实，书写字迹端正清楚。

9、检测人员员对各种原始记录都要认真保存，对上级主管部门发给的质量标准和有关安全、质量方面的通知，应及时转发给现场工程技术负责人。

10、隧道衬砌中各类缺陷判析

1) 衬砌背后回填密实度的主要判别特征：

密实：信号幅值较弱，甚至没有界面反射信号；

空洞：衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散；

2) 钢架、钢筋位置分布的主要判别特征：

钢架：分散的月牙形强反射信号；

钢筋：分散的倒”V”字型反射信号；

3、地质雷达法的采集数据质量检查为检测总工作量的5%，检查资料与被检查资料的雷达图像应具有良好的重复性、波形基本一致、异常没有明显位移。

4、检测资料质量评定应符合下列规定：

衬砌背后回填密实度和空洞的检查点相对误差小于10%为合格，衬砌混凝土厚度的检查点相对误差小于15%为合格；

合格的检查点数大于总检查点数量的90%为合格。

7 劳动力组织

衬砌质量地质雷达无损检测组劳动力组织见表1。

表1 衬砌质量地质雷达无损检测组劳动力组织表

人员人数主要任务

负责人 1 全面负责检测工作的协调、组织、安排工作

技术主管 1 全面负责无损检测技术相关工作

隧道专业工程师 1 负责指导现场布置检测测线，负责检测基础数据收集（里程标记、特殊段落等）。

协助作业工人 5 负责整个检测过程的配合工作

8 主要机具设备

主要设备配置见表2。

表2 综合地质雷达无损检测主要设备配置表

序号设备名称型号数量备注

1 电磁反射波（地质雷达）SIR-3000 1套

2 检测台车1台自制或外购

9 质量控制

9.1 易出现的质量问题

（1）现场检测准备工作准备不充分，障碍物过多，导致检测过程中易出现漏检；

（2）里程标记有较大误差，导致检测结果和实际不相符；

（3）衬砌检测结果判释人员经验不足，资料分析有偏差；

（4）检测结果的反馈渠道不畅通、不及时。

9.2 保证措施

（1）实现对建设单位的质量承诺，严格按照合同条款要求及现行规范标准组织开展工作。

（2）在施工过程中，以设计文件、技术指南以及现行规范标准为依据，按《建设标准化管理体系》通过对地质雷达无损检测要素和关键程序的控制，切实落实检测责任制。检测工作要责任到人，对地质雷达无损检测方法按工序严加施做，保证工程施工质量合格。

（3）定期对各种仪器、仪表等进行标定，专人负责管理。严格按仪器说明进行现场操作，确保数据的可靠性。

（4）对采集数据及时处理，形成的检测成果及时汇报，对质量问题较大的地段要第一时间上报，密切关注现场验证情况，确保检测成果的准确性和指导性，保证施工适量。

（5）对各种检测原始数据，现场照片，会议记录等重要资料分门别类汇总

归档，以利于检测工作的验收。

10 安全措施

10.1检测台车的防护措施

（1）检测车上搭建的临时作业平台，为确保检测人员、机械和设备在检测台车行走过程中的安全，临时作业平台要有足够的刚度、强度和稳定性，并和检测车连接牢固；

（2）检测车不可以急行、急停，要听从检测人员的统一指挥，慢起、慢停；

（3）在路面凹凸不平的地段，在确保检测车安全通过后，方可进行下一步的检测工作；

（4）检测工作完成后，现场为检测目的所搭建的临时设施应全部拆除，辅助材料应统一收集、处理，使检测现场恢复原状，确保安全；

10.2检测现场应急措施

（1）检测现场应配备应急照明灯和应急通讯设备；

（2）检测现场发生意外时，应迅速采取救援措施，并立即向上级单位报告情况，力争将损失降到最低。

11 应用实例

地质雷达无损检测典型图例

图5 衬砌背后脱空

图6 衬砌背后不密实

图7 衬砌背后脱空

图8 衬砌背后不密实脱空

图9 衬砌背后不密实脱空

图10 衬砌欠挖（初期支护有钢筋网片）

图11 衬砌欠挖（初期支护有钢筋网片和拱架）

图12 衬砌欠挖（素混凝土）

图13 仰供下部不密实（素混凝土）

图14 仰供下部有钢筋和无钢筋过渡段

图15 衬砌钢筋保护层厚度不足

图16 衬砌钢筋（典型探测数据）

图17 初期支护拱架探测（典型探测数据）

12工程结果评价

云桂铁路石林隧道衬砌施工过程中，通过地质雷达无损检测及时发现问题，及时处理，确保交付一个合格的工程实体。