探地雷达隧道检测报告

探地雷达测试报告

编 号:少微山-2012-2

项 目 名 称: 少微山隧道衬砌质量无损检测 委 托 单 位:丽水市中恒工程检测有限公司 地 点: 丽 水 市 紫 金 路

单 位: 丽水市中恒工程检测有限公司

二0一二年二月十九日

注 意 事 项

1. 复制的报告或有涂改的报告无效。

2. 报告无审核人及批准人签字无效。

3. 对报告若有异议,应于收到报告之日起十五日内向检测单位提

出。

地址:丽水市开发北路149号

邮政编码:323000

电话:0578-2058979

传真:0578-2058977

电子邮箱:318389752@QQ.com

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项目名称: 少微山隧道衬砌质量无损检测

委托单位: 丽水市中恒工程检测有限公司

检测人员:

报告编写:

报告审核:

I

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目 录

1. 工程概况 ............................................................ 3 2. 检测依据 ............................................................ 3 3. 检测精度要求 ........................................................ 3 4. 检测原理 ............................................................ 3 5. 采用的仪器和设备 .................................................... 3 6. 测线布置 ............................................................ 7 7. 数据处理和解释 ...................................................... 7 8. 探地雷达检测结果 .................................................... 9 9. 探地雷达检测结果 ................................................... 20

II

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1. 工程概况

2. 检测依据

根据 TB 10223-2004 J341-2004《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》 JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》

JTG F80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》第一册 土建工程

3. 检测精度要求

厘米级

4. 检测原理

(1) 地质雷达(GroundPenetratingRadar,简称GPR)检测原理

地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1 MHz一1GHz)电磁技术。可广泛地应用于浅层的混凝土结构、构造以及于浅层的地质结构、构造和岩性检测。它是利用超高频脉冲电磁波为震源,多以自激自收的形式,可采用连续、间断两种方式探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点。

地质雷达检测原理是根据地质雷达这一超高频短脉冲(106-109Hz)电磁波在结构介质中传播规律确定的。质中传播规律确定的。

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。因此,根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形数据,可推断介质的结构。

由于地质雷达的发射天线与接收天线之间距离很小,甚至合二为一。当被检结构倾角不大时,反射波的全部路径几乎是垂直平面的。因此,在测线不同位置

3

丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告 上法线反射时间的变化就反映了被检结构的构造形态。地质雷达工作频率高,在工程及地质介质中以位移电流为主。因此,高频宽带带电磁波传播,实质上很少频散,速度基本上由介质的介电性质决定。因此,电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多类似地方。两者遵循同一形式的波动方程,只是波动方程中变量代表的物理意义不同。地质雷达检测理论是基于地质雷达两者遵循同一形式的波动方程,只是波动方程中变量代表的物理意义不同。地质雷达检测理论是基于地质雷达介电常数有关,雷达检测的探测效果主要取决于不同介质分接口的电性差异的大小,即介质层间介电常数差异越大,则探测效果越好,介质异常在雷达剖面上反映也就越明显,从而易于识别。实测时雷达波通过天线进入衬砌及围岩中,

图1 雷达探测原理示意图

遇到材质有差别的介质时,产生接口反射,接收天线接收到反射波,测出反射波

4z2?x2

的入射、反射双向走时t?,就可计算出反射波走过的路程长度,从而v

求出天线距反射面的距z?v?t(图1)。式中 z为天线到反射面的距离(m);t2

为雷达波从发射至接收到反射波的走时,用ns(纳秒计),1ns=10-9秒;x为收发天线间距离(m);v 为雷达波的行走速度(m/ns);可以用几何光学的概念来看待c直线传播的雷达波的透射和反射。v?0。其中 C0 为雷达波在空气中的传播

速度约30cm/ns;ε为介电常数,由波所通过的物质决定。

(2)超声波法检测原理

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混凝土的物理力学性质受其内部结构特性与外部环境条件等多种因素制

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丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告 约,其声波传播特性反映了混凝土的应力应变关系。根据弹塑性介质中波动理论,应力波波速为: VP?E(1??) ?(1??)(1?2?)其中E为介质的动态弹性模量,ρ为密度,μ为泊桑比。而弹性模量与介质的强度之间存在相关性。超声波在混凝土中的传播参数(声时值、声速、波幅、衰减系数等)与混凝土介质的物理力学指标(动弹模、密度、强度)之间的相关关系就是超声检测的理论依据。当混凝土介质的构成材料、均匀度、施工条件等内外因素基本一致时,超声波在其中的传播参数应基本一致;而介质中存在缺陷时,超声波则在传播过程中产生绕射、反射、衰减等变化现象,使其声时、声速、频谱等产生变化。高精密声波反射—接收仪器及传感器可记录与描述混凝土的内在质量。

5. 采用的仪器和设备

根据使用领域的要求,我们使用LTD-2100型探地雷达主机配置400MHz,1500MHz屏蔽天线。

探地雷达不同频率天线的测深能力不同,频率越低,探测深度越大,但是分辨率会降低;频率越高,探测深度越浅,分辨率会提高。探地雷达探测参数设置:

400 MHz屏蔽天线,采样点512,采集时窗70ns,手动迭加4次,采用测距轮触发探测方式,有效检测深度为2~3米,检测精度和深度可满足混凝土结构工程要求。

1500MHz屏蔽天线,采样点512,采集时窗20ns,手动迭加4次,采用测距轮触发探测方式,有效检测深度为0.1~0.5米,检测精度和深度可满足钢筋混凝土结构工程要求。

检测设备及现场照片如下图所示:

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图(1)LTD-2100型探地雷达主机

图(2)400MHZ屏蔽天线

图(3)1500MHZ屏蔽天线

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丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告 6. 测线布置

根据测试要求,在丽水市少微山隧道进行了二衬数据采集测试。

数据处理和解释:

探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录,以波形或灰度显示探地雷达垂直剖面图。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,必须对接收信号实施适当的处理,以改善资料的信噪比,为进一步解释提供清晰可变的图像,识别现场探测中遇到的有限目标体引起的异常现象,对各类图像进行解释提供依据。

图像处理包括消除随机噪声、压制干扰,改善背景;进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波,进行滤波处理除去高频,突出目标体,降低背景噪声和余振影响。

图像解释和识别异常是一个经验积累的过程,一方面基于探地雷达图像的正演结果,另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常,才能获得可靠、准确的探测解释结果。

识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时,也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,干扰波一般都有特殊形状,在分析中要加以辨别和确认。

主要判定特征:

1. 密实:衬砌信号幅值较弱,波形均匀,甚至没有界面反射信号;

2. 不密实:衬砌界面反射信号强,信号为强反射信号,同相轴不连续,错

断,一般区域化分布;

3. 空洞:衬砌界面反射信号强,呈典型的孤立体相位特征,通常为规整或

不规整的双曲线波形特征,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;

4. 脱空:衬砌界面反射信号强,呈带状长条形或三角形分布,三振相明显,

通常有多次反射信号;

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5. 钢筋网:有规律的连续的小月牙形强反射信号,月牙波幅较窄;

6. 钢拱架:单个的月牙形强反射信号,月牙波幅较宽;

7. 钢格栅:连续的两个双曲线强反射信号。

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7. 探地雷达检测结果

⑴ 少微山隧道二衬边墙钢筋网分布测试:

① GC400MHz屏蔽天线钢筋测试结果:

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② GC400MHz屏蔽天线二衬缺陷测试结果

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丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告 ⑵少微山隧道边墙二衬厚度测试:

①GC400MHz屏蔽天线测试结果:

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②GC400MHz屏蔽天线测试厚度报表:

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丽水中恒工程检测有限公司

20xx年2月19日

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第二篇:探地雷达法在隧道地质预报中的应用研究

研究与探讨广东建材2010年第10期

探地雷达法在隧道地质预报中的应用研究

雷军军隆威(中南大学)

要:本文主要对探地雷达法的基本原理和应用做了简要分析,借助于某实例工程能清楚地看到

该法可使施工单位提前采取措施,从而确保隧道的施工安全,建议推广应用。

关键词:探地雷达法;隧道;地质预报

当今社会倡导以人为本,安全问题自然被提到首位。如何杜绝隐患,确保安全生产,是施工单位迫切需要解决的问题。正是随着这种形势的发展,推动了综合物探新手段新设备相继涌现。作为应用地球物理学的一个分支的探地雷达超前地质预报方法更是飞速发展,主要得益于整个地球物理勘测技术的进步和工程建设的需求。该地质预报技术的趋于成熟,应用越来越广泛,形成了独特的技术方法系统和研究领域。

1探地雷达法基本原理

探地雷达法是属于电磁波法勘探的一种物探方法,雷达波的发射是通过一个领结状的偶极面天线向地下辐射。

美国雷达发射天线一般是一个周期(T)为20

(可变)的同步脉冲作用在发射机上,产生一个幅度为100伏,宽度为几个毫微秒的电脉冲作用在天线上,构成天线波源。

天线以时变电磁场的形式向地下发射电磁波。其功率、频率等参数随天线种类不同而不同。各种不同频率的天线阻抗参数相等,具有互换性,中心频率越低的天线,辐射功率越大,探测能力越强。

雷达偶极天线的发射一般是有方向性的,SIR型天线的方向成一个90。X60。的椭园锥体形状,如图l雷达天线发射方向图。

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图1雷达天线发射方向图

从方向图上可以看出,天线辐射能量在90。方向上最大,应用这一特征建立起了定点扫描测量方法,又因横向比纵向辐射角小,所以天的横向测量比纵向测量分辨率高,方向图为一椭园锥体,意味着雷达记录图像

一24一

万方数据

是这一锥体的模型而不能简单看作一个点的反射,这对图像解释很重要。雷达波属于均匀平面电磁波,它以波动方程的方式向掌子面前方传播。

Ex(Z,t)=Eoe—aZCOS(wt-Bz)Hy(Z,t)=Eo/I

l×e—dZOOS(wt一13Z一①)

式中:E,为电磁波传播到Z=X处的电场强度,E。为Z=0处的电场强度,K=Q+ip为传播常数,Q为衰减常数,B为相移系数。

在实际应用中常用相对磁导率(ur=u/uo)和相对介电常数(£r=e/e0)来计算介质的衰减常数和相移系数,这样Q、13可用下列表达式来表示:

o=(∞2|I

o/2)1/2([£r斗(O/(I)£0)2]1肚er)1/2

13=(∞2uo£J2)1/2([£r4(o/(I)e0)2]1/2+er)1/2式中II。为空气磁导率,其值为4ⅡX10呵(享/米),空气介电常数£o=1/36兀X10一。(法/米),o为介质的电导率。

从上面式中可以看出,雷达波只有X,Y方向上的分量,在波的传播方向(Z)上场强为零,属于横电磁波,电磁场的强度按衰减系数的指数衰减,衰减系数越大,电磁场衰减越快,探测能力越小,雷达波以近似正弦波形式传播,电磁场相位差为①角。电磁波的传播与∞、

o、e

r三个参数有关,即天线中心频率、媒质电导率和

媒质介电常数,对于高阻体物质其电导率几乎无差别,所以在探测过程中主要考虑选择天线的探测频率和研究目标体的介电常数。

开始探测时,探地雷达天线向前方介质定向发射一定强度的高频短脉冲宽频带电磁波,频率量级为106--.109Hz,电磁脉冲在遇到不同电性介质的地层突变界面或明显的异常目标体时即产生反射与透射,反射波被接收天线接收产生雷达图像记录,透射波则继续向前方传播,在超前预报中当遇到介电常数有明显差异的界面时便产生电磁波的反射,依据探测深度的不同要求调整时

窗形成不同时长的雷达剖面。向前传播的电磁波遇到介

广东建材2010年第10期

电常数差异较大的地层反射界面后发生反射,其振幅、相位和频率就会发生明显变化,介电常数差异大小决定了电磁波反射的振幅强弱程度和其相位的正负,反映岩石完整性及其含水性,通过对雷达探测波形的分析来判定掌子面前方的围岩特性即其展布规律。

在探地雷达探测过程中,电磁波从发射天线发出,传播过程中遇到波阻抗界面不同时象光波一样会产生反射与透射现象,遵循光的反射定律,反射系数的大小决定反射能量的强弱,在高阻体媒质中,反射系数的大小主要决定于介电常数。

一般在测量过程中只采用垂直极化法,因为垂直极中为了追踪不清楚的界面时利用其正反相位相互验证雷达波相位的判别:当e1>£2,将获得与初始相1<e

2,获得与初始相位反相

2,没有反射信号,反射系数等同反射目标体的有效面积有关,面积大反射系数也相应在工作中,发射接收天线在掌子面上做连续移动式在掌子面超前地质预报探测中使用的方法有十字十字测法是将天线做连续扫描测量,在掌子面上布的方向性,即不同方向上电磁波能量的差别。定点扫描万方数据

研究与探讨

面前方的岩体完整性较差,探测距离就会大打折扣。所以雷达探测效果的如何,决定性的因素取决于所测介质介电常数,一般由介电常数小的介质向介电常数大的介质中探测效果要明显的多。所以探地雷达法对探测溶洞、水囊反映较好,并得到了广泛应用。雷达缺点是在介电常数大的介质探测过程中多次反射波较强,干扰较大,不易识别有效信号。利用探地雷达进行超前地质预报,目前在国内各公路和铁路隧道施工掘进中应用越来越多,配合TSP预报法进行预报,互相验证,效果更好。

2工程概况

某物探勘察有限公司承接了武广铁路线隧道进口端掌子面里程DK2081+033.5和出口掌子面里程DK2081+097隧道超前预报工作。

本次预报工作是在前次2008年5月10日TSP203方法预报之后的进一次探测,采用探地雷达法进行近距离探测,本次采用的探测仪器为SIR-IOH型探地雷达。

任务要求:

(1)探测掌子面附近及前方的地层岩性、软弱层的位置:

(2)探测断层破碎带的位置、宽度以及空洞的具体位置等;

野外探测工作于2008年6月8日开始,于2008年6月9日完成外业工作。

该隧道全长4214m,进口里程为DK2079+226,出口里程为DK2083+440;横洞与正洞交叉口里程为DK2082+370。目前进口掌子面里程为DK2080+033.5,出口掌子面里程为DK2081+097,全隧道剩余63.5m未掘进。

3测线布置

现场雷达测线布置如图2。

4探测成果

4.1坪岭隧道出口探测成果

下面为结合现场探地雷达探测图像对隧道掌子面地质情况进行分析的具体过程。

(1)测线编号Plcl。面向大里程,掌子面附近2081+098从右向左环向测线布置,lOOMttz天线,左拱腰处上方5m处雷达波有~强反射波组,后无多次波,在lOm处又有一反射起跳,推断为空洞的见底的反射回波,所以判定掌子面左前方5,--10处存在空洞;在掌子面右前方5m处也有一组强反射波,且后续跟随有很强

一25—

化法与水平极化法正好相位相反,只有在实际测量过程对比,由此可见,反射系数的大小及反射信号强弱主要取决于探测界面两侧相对介电常数的差异大小,差值趱大雷达波反射信号趣强,界面反射的雷达信号越明显,越易分辨:反之,雷达反射信号不明显,信噪比底,反射界面不易识别。

位同相的反射波形;当e

位的反射波形;当£1=e于零。另外如果媒质介于高阻与低阻体之间时,介电常数与电导率的影响均要考虑。除介电常数与电导率两参数决定反射系数大小之外,反射系数大小及相位变化还大些。

测量,由于掌子面凸凹不平,天线耦合不好也会影响对反射波的吸收。

测量法、定点扫描法和点测法。

置两条互相垂直的测线,十字测量法探测直立断层最有效,可以测算出反射界面的产状。定点扫描是依据天线法最大的优点是避开耦合不良问题,同十字测法联合使用可起到佐证作用,定点扫描法测得是异常体点的特征,要获取面的特征,至少要在三个不同位置作扫描测量。点测法即在十字测线上逐点测量,点距一般为20--一50cm,它的优点是耦合效果好,可采用多次信号叠加,提高信噪比。通过雷达图像的处理和分析,可确定掌子面前方地质界面或目标体的空间位置和岩性特征。如果掌子面前方的岩体完整性较好,预报距离可达30m;掌子

研究与探讨

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图2进口段测线布置图

的多次波,应该是背后充水的特征表现,所以推断右拱腰处上方充有泥水。

(2)测线编号Plcl3。面向大里程,掌子面附近2081+098从右向左环向测线,lOOiHz天线,右拱腰处上方5,-一6m处表现为很强的多次反射波,判断后面存在空洞,且背后充泥水。

(3)测线编号Plc2。面向大里程,从右向左掌子面测线,IOOMHz,DK2081+097掌子面前方大约lOm处有一轻微的反射界面,估计应是围岩变差的一个反射界面,紧接着在13m的位置处有一很强的反射界面,而且有很强的多次反射,有相位翻转迹象,说明背后含水较多,施工到该位置需小心,而且在掌子面前方大约20m的地方仍有一个反射界面,估计是在这一地方围岩有所变好,但预计在这个界面之后应有一非常大的空洞。但在里程DK2081+088前面施工就要非常小心,加强防范。

(4)测线编号Plc3。面向大里程,从右向左环向测线,400MHz,DK2081+098环向上方l~2.4m间有轻微的反射波出现,可能存在两处充水解理面,在右边含水较多。

(5)测线编号Plc4。面向大里程,从右向左掌子面测线,400MHz,DK2081+097,4m内无异常反应,只有在左侧背后l~2m处含水丰富。

(6)测线编号Psc6。面向大里程,从小里程往大里程方向拱顶测线,lOOblHz,在DK208I+099的位置处,拱项正上方大约5m后存在空洞,纵向范围1m,不大。

(7)测线编号Psc7。面向大里程,从大里程向小里程左拱腰测线,100删z,在DK2081+099的位置处,在拱腰上方大约5m后存在异常,估计是基岩与泥石的接触面。

(8)测线编号PlclO。面向大里程,掌子面附近2081+098从右向左环向测线,100}/狂tz天线,lm后洞壁

一26一

万方数据

广东建材2010年第10期

上方处有~个反射界面,且后续没有反射波,估计后面应有一个大的空腔,有待进一步验证。

出口段结果汇总:结合掌子面的实际地质情况,在掌子面隧近拱部上方1m处节理发育,5~lOm范围存在充泥空洞,里程范围为DK2081+094~088;掌子面前方13m处有异常变化,推断为基岩与泥石的结合部位;预计到掌子面前方20m处积水较多。

4.2坪岭隧道进口探测结果

由于在进口掌子面非基岩,属坍塌物,雷达信号衰减较快,测深受到很大影响。

(1)测线编号Plj4。面向大里程,从小往大拱顶测线,IOOMHz,在DK2081+033.5拱顶位置背后4m处有一强反射,估计4m后为含水丰富。在距掌子面25m附近有强反射,估计有大的夹泥洞穴。

(2)测线编号PIj5。面向大里程,环向从左向右测线,400MHz,在拱顶DK2081+033.5部位4m后正上方局部有一组强反射波,估计局部存在一空洞。浅部强反射波组是由于钢拱架所造成的。

(3)测线编号Plj6。面向大里程,掌子面上从右向左测线,400姗Iz,dk2081+033.5,在掌子面中间部位前方4m有一组强反射波,应属于局部空洞积水,含水丰富。

进口段结果汇总:在坪岭隧道进口处掌子面附近探测结果描述如下,在拱顶上方DK2081+033.5处背后4m处有一强反射,应为局部空洞;在掌子面前方4m后中间部位局部积水。在DK2081+058处存在大的含泥水空洞。

5结束语

探地雷达法探超前地质预报虽然有很多优点,但毕竟是一种非直观的预报方法,在给出推断结果时一定要结合地质瓷料的实际情况进行分析,而且要对已预报过的地段善于追踪,总结经验,来提高探测结果的准确性。

【参考文献】

[1]刘敦文,黄仁东等,应用探地雷达技术检测隧道衬砌质量,物探与化探,2007(6)E15]

[2]王永安,白明洲等,雷达探测方法在隧道病害治理中的应用研究,西部探矿工程,2008(1)

[3]覃建波,邓世坤,李沫,探地雷达在隧道和涵洞工程检测中的应用研究,煤田地质与勘探,2004(5)

[4]钟宏伟,赵凌,我国隧道工程超前预报技术现状分析,人民长江,2004(9)

探地雷达法在隧道地质预报中的应用研究

探地雷达法在隧道地质预报中的应用研究

作者:

作者单位:

刊名:

英文刊名:

年,卷(期):雷军军, 隆威中南大学广东建材GUANGDONG BUILDING MATERIALS2010,26(10)

参考文献(4条)

1.刘敦文.黄仁东 应用探地雷达技术检测隧道衬砌质量 2007(6)

2.王永安.白明洲 雷达探测方法在隧道病害治理中的应用研究 2008(1)

3.覃建波.邓世坤.李沫 探地雷达在隧道和涵洞工程检测中的应用研究 2004(5)

4.钟宏伟.赵凌 我国隧道工程超前预报技术现状分析 2004(9)

本文链接:http://d..cn/Periodical_gdjc201010006.aspx

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