地质雷达技术是一种先进的无损检测技术,其特点是快速、无损、连续检测,并以实时成像方式显示地下结构剖面,探测结果一目了然,分析、判读直观方便。其探测精度高、样点密、工作效率高,因而,在隧道工程质量检测中得到推广应用。地质雷达法适用于探测隧道喷锚衬砌和模筑衬砌厚度、密实性、背后空洞、内部钢架、钢筋分布等。
(一)地质雷达法的原理
地质雷达法是一种用于确定地下介质分布的光谱(频率为1MHz～2GHz)电磁技术,在隧道内通过电磁波发射器向隧道衬砌发射高频宽频带短脉冲。电磁波经衬砌界面或空洞的反射,再返回到接收天线。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化,根据接收到的电磁波传播时间(也称双程走时)、幅度与波形资料推断介质的结构,即可求得反射界面的深度。
实测时,将雷达的发射天线和接收天线密贴于衬砌表面,雷达波通过天线进入混凝土衬砌中,遇到钢筋、钢拱架、材质有差别的混凝土、混凝土中间的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩石分界面、岩石中的裂面等产生反射,接收天线接收到反射波,测出反射波的入射、反射双向旅行时,就可计算出反射波走过的路程长度,从而求出天线与反射面的距离(图4.5-9)。
图4.5-9 地质雷达的测试原理及其探测
(二)地质雷达探测系统组成
地质雷达探测系统由地质雷达主机、天线、笔记本电脑、数据采集软件、数据分析处理软件等组成。地质雷达天线可采用不同频率的天线组合,低频天线探测距离长、精度低;高频天线探测距离短、精度高。天线频率有50 MHz、100 MHz、500 MHz、800 MHz、1GHz、1.2GHz等(图4.5-10)。
图4.5-10 劳雷地质雷达主机及天线
(a)劳雷SIR-4000主机;(b)劳雷400MHz天线;(c)劳雷900MHz天线
(三)地质雷达主机的技术指标
(1)系统增益不低于150dB。
(2)信噪比不低于60dB。
(3)模/数转换不低于16位。
(4)采样间隔不大于0.2ns。
(5)信号叠加次数可选择或自动叠加。
(6)数据的触发和采集模式为距离、时间、手动。
(7)具有点测与连续测量功能。
(8)具有手动或自动位置标记功能。
(9)具有现场数据处理功能。
(四)地质雷达天线的选择
根据探测对象和目的不同、探测深度和分辨率要求综合选择。
(1)所选天线应为屏蔽天线。
(2)天线应根据探测目标体的深度及水平尺寸进行选择,可参考下列选择:
①初支厚度及背后的空洞宜选择800MHz、900MHz等主频天线。
②二次衬砌厚度及背后空洞宜选择400～900MHz等主频天线。
③二次衬砌内部钢筋分布及数量可选择800MHz、900MHz等分辨率较高的主频天线。
④仰拱厚度及密实性宜选择200MHz、270MHz、400MHz等主频天线,可组合使用。
(五)现场检测
喷射混凝土厚度、二次衬砌混凝土厚度、仰拱深度、混凝土衬砌内部情况及空洞等均可采用地质雷达法检测。其检测和数据处理方法均相同,差别在于各自的反射图像特征不同。现场检测流程如图4.5-11所示。
图4.5-11 地质雷达法检测流程图
1.测线布置
隧道施工过程中质量检测以纵向布线为主、环向(横向)布线为辅。两车道纵向测线应分别在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙布置测线,根据检测需要可布置5～7条测线;三车道、四车道隧道应在隧道的拱腰部位增加两条测线,遇到衬砌有缺陷的地方应加密;隧底测线根据现场情况布置,一般为1～3条,有特殊要求的地段可布置网格状测线,主要是探测密实情况或岩溶发育情况,宜在施作完成路基或路基调平层后进行。为将测线名称和编号与隧道实体对应和统一,建议面向隧道出口方向(里程增大方向),各测线从左到右依次编号,并标注各测线高度及其在纵向上的起伏变化(图4.5-12)。路面中心测线应避开中央排水管及其影响。
图4.5-12 地质雷达测线布置图(以二次衬砌为例)
1—拱顶测线;2、3—拱腰测线;4、5—边墙测线;6—环向测线
环向测线实施较困难,可按检测内容和要求布设测线,一般环向测线沿隧道纵向的布置距离为8～12m。若检测中发现不合格地段,则应加密测线或测点(图4.5-12)。
2.检测方式
(1)纵向布线采用连续测量方式,特殊地段或条件不允许时,可采用点测方式,测量点的间距不宜大于200mm,测线每5～10m应有里程标记。
(2)环向测线尽量采用连续方式检测;也可采用点测方式,每道测线应有不少于20个测点。
天线的定位方法可采用常用的手动打标定位法和测量轮测距定位法。测量轮定位法一般用在表面平整的二次衬砌地段,且应加强定位的误差标定或实施分段标定。
3.现场准备
(2)确定适当的测线高度,且测线应顺直,高度应统一。
(3)在隧道的同一侧边墙上按5m或10m间距标出里程桩号。
(4)高空作业台架或高空作业车,应安全可靠,使用方便,能使天线密贴衬砌表面。
(5)现场照明、通风、排水应良好。
(6)排除安全隐患,包括未完工的排水检查井、通行车辆等。
4.主要参数设置方法
(1)介质常数标定。
①检测前应对喷射混凝土或二次衬砌的相对介电常数或电磁波速做现场标定,且每座隧道应不少于1处,每处实测不少于3次,取平均值,即该隧道的相对介电常数或电磁波速。当隧道长度大于3km、衬砌材料或含水率变化较大时,应增加标定数(图4.5-13)。
图4.5-13 二次衬砌介电常数标定(钻孔实测)
②标定方法:
a.钻孔实测。
b.在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量。
c.在洞内、洞口或洞内横洞位置使用双天线直达波法测量。
③求取参数时应具备以下条件:
a.标定目标体的厚度一般不小于150mm,且厚度已知。
b.标定记录中界面反射信号应清晰、准确。
④标定结果按本节式(4.5-32)～式(4.5-34)计算。
(2)时窗长度确定。应根据探测深度和介质速度估算时窗长度,包括理论计算法、实用经验法。
①理论计算法。时窗长度按式(4.5-31)计算:
式中 Δt——时窗长度(ns);
k——时窗长度调整系数,一般取1.5左右;
h——目标体估计深度;
εr——相对介电常数。
按式(4.5-25)计算时窗长度,除满足理论时窗长度需要外,还宜适当考虑视觉习惯、数据处理、分析过程的方便和精度。
②实用经验法。对拱墙衬砌混凝土时窗长度一般控制在30～60ns;对仰拱衬砌混凝土时窗长度一般控制在60～100ns。
(3)采样率或采样间隔。应根据仪器性能和要求设置,某些型号仪器无须设置,而是由仪器自动设置或按需设置检测时域内的采样点数,衬砌厚度检测时单道信号不宜少于512个采样点。
(4)数据位数。应根据仪器性能和要求设置。一般8位或16位即可满足精度要求,但宜设置为16位。此外,某些型号的仪器无须设置。
(5)滤波器设置。在频域上,宜按中心工作频率设置如下:(www.xing528.com)
①垂直滤波器(IR、FIR滤波器)。
a.垂直低通:取2～3倍的中心(天线)频率,如采用400MHz天线,低通截止频率宜为800MHz。
b.高通:取1/6～1/4中心(天线)频率。
c.高通截止频率:如采用400MHz天线,高通截止频率宜为100MHz。
某些型号的仪器在设置天线频率后,可直接自动调试,无须人工设置滤波器。
②水平滤波器(IIR滤波器)。
a.水平光滑滤波:一般宜设置为3(扫描线数量)。此值增加则光滑度增加,小目标从记录中被滤掉,如果是检测钢筋或管道,则此值不应大于5。若检测浅表非常细小的目标(如混凝土中的细钢筋、电线、铁丝),就不应使用该滤波器,而应将此值设为0。若寻找地基层位,此值宜适当提高,但不得超过20。
b.水平背景去除滤波:数据采集时,该滤波器一般不宜使用,所以应将此值设为0。
(6)数字叠加。叠加次数不宜过大,太大不仅探测运行速率慢,而且抑制噪声的效果也不太明显,一般以4～32次为宜。
(7)探测扫描速率。探测扫描速率与车辆行驶速率(天线移动速率)是相对应的。探测扫描速率一般宜设置为50～100scans/s(扫描线/秒),其对应的车辆行驶速率不宜大于5km/h,以易于目标识别、分析,在视觉上单位纵向长度内的图像展布不宜过长或过短。
(8)首波或直达波调试。分自动和手动调试,也包含自动调试找不到信号时的手动调试。现场检测时必须找到直达波而作为深度起点。
(9)显示增益设置和调试。最大正负波形幅度宜占调试框宽度的50%～70%,避免反射信号微弱或饱和失真。如在彩色显示方式下,数据采集时若能在屏幕上辨认出实时显示的较微弱的反射信号,在后处理软件中一般可通过增益放大(GAINS)使反射信号变得更清晰可分辨,更易于处理和异常判定。某些仪器需要设置检测时窗内的增益点数(1～8个),进行自动调试、分点或段手动调试。在50ns时窗长度时宜设为5个增益点。
5.检测工作注意事项
(1)测量人员必须先经过培训,了解仪器性能及工作原理,并且具备一定的图像识别经验后,才可以进行仪器操作。
(2)正确连接雷达系统,在检测前进行试运行,确保主机、天线及输入、输出设备运行正常。
(3)必须保持天线与被测衬砌表面密贴(空气耦合天线除外),天线不能脱离结构物表面或任何一端翘起。天线未密贴的允许程度以能够较清晰分辨反射目标为基本要求,否则应及时对已检测段落重新检测。
(4)天线应能灵活调整高度,使天线与测线位置准确对应。
(5)天线应移动平衡、速度均匀,移动速度宜为3～5km/h。
(6)当需要分段测量时,相邻测量段接头重复长度不应小于1m。
(7)记录测线位置和编号、天线移动方向、标记间隔等。
(8)在衬砌表面准确标记隧道里程桩号,严格控制误差。
(9)应随时记录可能对测量产生电磁影响的物体(如渗水、电缆、铁架、埋管件等)及其位置。
(10)应边检测、边记录、边注意浏览实时回波图像、边观察现场环境和安全状况,对有较大可疑的反射异常应及时记录和复检。当发现因参数设置不当或受到障碍影响,或天线没有密贴,或受到较强电磁场干扰,或遇到紧急情况等而导致检测图像数据质量较差时,应立即停止数据采集,重新设置和重新检测。
(六)数据处理与解释
1.数据处理
数据处理或称后处理,主要包括滤波处理、增益调整、色彩变换、显示方式(灰度图、单点方式)变换、复杂情况下的速度分段处理和折算处理等(图4.5-14)。
(1)处理步骤。
①应首先确定混凝土的电磁波速度。
②混凝土的雷达波相对介电常数和速度若需进行现场标定,则分别按下式计算:
对于收发一体的天线,可按式(4.5-25)、式(4.5-26)计算标定:
对于收发分离的天线,可按式(4.5-26)计算标定:
式中 εr——相对介电常数,量纲为1;
v——雷达波速度(m/s);
c——真空(空气)中的雷达波速度(光速),3×108 m/s;
d——已知目标深度(厚度)(m);
t——雷达波在已知厚度的目标中传播的往返旅行时间(s);
x——发射天线与接收天线之间的距离(m)。
③回波起始点(零点)的确定方法。根据已在现场采用的探测方式和拟判定的目标性质,可采用彩色灰度图或黑白灰度图、wiggle方式进行处理,或以其混合方式进行数据分析,但建议起始零点宜选定在直达波正波的中心位置。
④数据距离归一化处理。距离归一化处理是按处理者要求的标记间扫描数对整个数据文件每一个标记间扫描数做等间距的处理方式,通俗理解是使每个距离标记间的数据长度相同。
⑤滤波处理。在反射波图像不够清晰、有明显干扰时须进行滤波,常用的有效方法有水平光滑滤波、水平背景去除滤波、对采集窗口段的波形降低显示增益,应根据需要选择。
a.水平光滑滤波:即水平道间叠加,用于压制水平方向上的随机干扰,光滑记录,增强层位的连续性。
b.水平背景去除滤波:用于改善识别小目标和消除水平干扰(水平干扰条带、强反射条带),如处理后可分辨出被“背景淹没”的钢筋、钢拱架、反射界面等。
c.对采集窗口段的波形降低显示增益,可有效减小干扰或信号幅度过大对波形的影响。
(2)注意事项。
①原始数据处理前应回放检验,数据记录应完整,信号清晰,里程标记准确。不合格的原始数据不得进行处理与解释。
②数据处理与解释软件应使用正式认证的软件或经鉴定合格的软件。
③应结合现场检测时对所注意到的检测环境和条件变化情况进行解释。
④应清晰地看到直达波和反射波,并根据直达波和反射波特征能够分辨出反射波真假异常,提取有效异常,剔除干扰异常或由障碍、天线未密贴或操作不当、天线或仪器缺陷等造成的异常。
⑤分析可能存在干扰的预埋管件等刚性构件的位置,准确地区分衬砌内部缺陷异常与预埋管件异常。
⑥数据处理过程中应选择正确的滤波方式,从而根据数据图像对隧道衬砌质量做出正确的分析与解释。
⑦雷达数据解释完后,若有不确定的疑问应及时进行复检或调查,必要时应进行现场钻孔验证。
2.混凝土结构厚度分析
雷达数据反映的混凝土厚度界面为反射波同相轴连续的强反射界面(图4.5-15),在确认目标界面后,可借助后处理软件的厚度追踪功能或专用后处理追踪软件,得到间隔一定距离的对应桩号的厚度数据,并按要求绘制出厚度图。需要注意的是,点测方式确定厚度位置对数据解释者的能力要求较高,在数据量较小的情况下,不易确定目标位置。
图4.5-15 衬砌厚度分析图
3.混凝土结构背后回填密实性分析
地质雷达法检测混凝土结构背后回填的密实性(密实、不密实、空洞),可进行定性判定,主要判定特征如下:
(1)密实:反射信号弱,图像均一且反射界面不明显。
(2)不密实:反射信号强,信号同相轴呈绕射弧形,不连续且分散、杂乱(图4.5-16)。
图4.5-16 衬砌不密实雷达图
(3)空洞:反射信号强,反射界面明显,下部有多次反射信号,两组信号的时程差较大(图4.5-17)。
图4.5-17 衬砌内部空洞雷达图
4.混凝土内部钢架、钢筋、预埋管件判定
地质雷达法检测衬砌钢架、钢筋、预埋管件主要判定特征如下:
(1)钢架、预埋管件:反射信号强,图像呈分散的月牙状(图4.5-18)。
图4.5-18 初支钢架及钢筋信号雷达图
(2)钢筋:反射信号强,图像呈连续的小双曲线形(图4.5-19)。
图4.5-19 二衬内部钢筋及钢筋网下面的钢架信号雷达图
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