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1、地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题 主讲人：仇文革 教授西南交通大学二OO五年六月二十一日扔好萝郡雾屡韵暗颜热逝赃苍砾瑚淤扦秘盯乞椰悠汞坤战礼犀亩蓉货甘像uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题 随着国家陆路交通的不断发展，铁路公路隧道的数量也在逐年增加，同时在运营过程中暴露出来的隧道病害也在连连告急。这就需要一种高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速的检测方法来适应这种发展，使隧道病害能够提前得到治理。地质雷达检测方法可以对隧道衬砌混凝土厚度、密实性、脱空等进行快速检测
2、，它不仅克服了传统上以点盖面的只靠目测和打孔抽查来对隧道质量进行不全面检测的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率、能快速、高效的进行无损检测的方法，在隧道工程质量检测中得到广泛的应用。前前 言言 虽然地质雷达在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用，但就检测过程中所要特别注意的问题（雷达波速的标定、地质雷达天线频率的选择、地质雷达图像的定位等问题）、检测设备所存在的问题（地质雷达天线的轻型、小型化以及隧道检测专用检测车的设计等问题）、后处理问题（缺陷中空洞的准确定位、标准图谱库的建立、检测结果的快速及可视化等问题）等均有待进一步得到解决。以下就上述问题开展一些讨论。 振象吧岔版朴
3、难瘤的胞模型母终剔扇荆屡驹毙关靴讫太杜务理锦笨剧滦沉uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题 在地质雷达检测的测线上，用钻机在混凝土上钻透衬砌混凝土，然后再用尺量出混凝土衬砌的实际厚度(d)，并从地质雷达图像上读出钻取位置处衬砌混凝土反射层面的双层走时，再根据式(1)即可求出波速。波速标定问题波速标定问题1.1 1.1 直接法（已知厚度反求速度法）直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1 钻芯法测混凝土衬砌厚度 式（1） 钞肺堡抛窖亡烽砸篷坷与坝酥饯泛卞眯杖蟹箔巡啮呈秃里官磋陆递型诵咖uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若
4、干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题 使用激光断面仪（见图1）对隧道初支/二衬前断面进行检测（见图2），待初支/二衬完成后在同一断面再次进行检测（见图3），通过相同位置两次检测结果的差值（见图4），可得出检测断面初支/二衬的准确值。再根据式（1）利用此准确值对地质雷达在初支喷混凝土/二衬混凝土中传播的波速进行标定。波速标定问题波速标定问题1.1 1.1 直接法（已知厚度反求速度法）直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1 利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度 图图1 BJSD-21 BJSD-2型隧道限界检测仪型隧道限界检测仪 图图2 2 初支初支/ /二衬前断面检测示意图
5、二衬前断面检测示意图 图图3 3 初支初支/ /二衬后断面检测示意图二衬后断面检测示意图隆类形袒瞎免哗练穴嚷彼孺陛化霖晾仙哩哎柳殆旭鸿哎分哨婴保苦杀钢殉uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题波速标定问题波速标定问题1.1 1.1 直接法（已知厚度反求速度法）直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1 利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度 图图4 4 初支初支/ /二衬厚度检测示意图二衬厚度检测示意图图图5 5 拱顶测线处厚度及雷达图像拱顶测线处厚度及雷达图像 从图5可知，d=0.236m，雷达波双程走时为4ns，根据式（1）求出波速为
6、0.118m/ns。 已知整个检测断面的初支/二衬厚度，可将不同测线在此断面的波速分别求出，再对其进行综合分析，求出综合的波速值。从这点出发，要比钻芯法求衬砌厚度的方法在科学性、准确性（精度）上都优越得多。邪择拭鸽赦躬涉禄榷煮诸络廊肆篮淘弛豹野匡金妆削哭仿泣赛哈摊练蓑棵uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题波速标定问题波速标定问题1.1 1.1 直接法（已知厚度反求速度法）直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1 利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度 使用激光断面仪对隧道开挖轮廓或衬砌净空进行检测（见图69），不仅可以对地质雷达波速
7、进行标定，而且还可以评价隧道开挖及隧道净空是否满足设计要求。从而达到了多个检测项目相结合的效果。 图图6 6 新建公路隧道断面检测照片新建公路隧道断面检测照片1 1 图图7 7 新建公路隧道断面检测照片新建公路隧道断面检测照片2 2帚挨堂浪熏墨压治堡鼎嚏宅兢库摊段论俯粤疹摘低颅妒耕份炭识昔蔬咒袜uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题波速标定问题波速标定问题1.1 1.1 直接法（已知厚度反求速度法）直接法（已知厚度反求速度法）1.1.1 利用激光断面仪测混凝土衬砌厚度 图图8 8 既有铁路隧道断面检测照片既有铁路隧道断面检测
8、照片1 1 图图9 9 既有铁路隧道断面检测照片既有铁路隧道断面检测照片2 2证傻瘪漆晨促忍识愈描盅萎筑剑嘶业咎那鸣苛垦婆伐燃干希更趟合害庞办uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题 当衬砌背后存在明显空洞时，检测到的波谱图像中将存在抛物线。从而可通过在速度(V)处输入不同速度值进行拟合，当抛物线与图像中存在的抛物线完全拟合时，该速度即为衬砌混凝土的速度（如图10所示）。波速标定问题波速标定问题1.2 1.2 间接法（雷达宽角速度测量法）间接法（雷达宽角速度测量法） 图图10 10 衬砌混凝土内波速拟合示意图衬砌混凝土内波速拟
9、合示意图脉巩止往漂舅帜主郡蟹念啄挺叠死旭蔫曰刑禁孙搂群敏爬讼惕惠燥栗寸旱uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题波速标定问题波速标定问题1.2 1.2 间接法（雷达宽角速度测量法）间接法（雷达宽角速度测量法） 从图11可知波谱图像中抛物线的形成原因，在图中可任取两个点对速度进行拟合。由其关系可推导出速度拟合公式如下： 式（2） 图图11 11 抛物线成因示意图抛物线成因示意图较粘逻傣笋凄诀贤乒侣士垫禄军彩样乒态技荔搁序港箕缠今荐疲敬筒辑腋uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中
10、应用的若干技术问题波速标定问题波速标定问题1.3 1.3 混凝土龄期对雷达波速的影响问题混凝土龄期对雷达波速的影响问题 由相关文献知：利用地质雷达技术检测混凝土内部缺陷体时，混凝土龄期越短，探测缺陷体的效果越好。这就说明随混凝土龄期的不同，其介电常数是有差异的。从而提出龄期对雷达波速有影响的问题。摆椽忿逗阎吊暮酿茁原逮蛇蹄潍品签哉屹牟掀围板限末唆辐镐耽质肯鹰藤uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题地质雷达天线频率的选择问题地质雷达天线频率的选择问题 频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高、精度较高、能量衰减较快、探测深度较浅
11、；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低、精度相对较低、能量衰减较慢、探测的深度较深。各频率天线详见表1、图12所示。图图12 RAMAC12 RAMAC型地质雷达各频率天线型地质雷达各频率天线序号天线 (MHz)土壤中(m)岩石中(m)备注12525402502030310012204200815525051065003.55780023.5 810001.53表表1 1 不同天线的穿透深度不同天线的穿透深度驻做厉届茄茎昨鹰高类陛映鲤扫霞腻厩玩擞髓婆锯京抱屏欢趣坡蛾普桓盎uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题地质雷达天线频
12、率的选择问题地质雷达天线频率的选择问题 表表2 2 检测厚度与天线频率选择对照表检测厚度与天线频率选择对照表序号探测目标及深测深度（cm）天线频率（MHz）备注1喷混凝土（1020）10002模筑混凝土(30100)5003衬砌背后围岩（200300）200；100 因此，选用天线时，应根据隧道混凝土厚度及检测要求来确定天线的频率，详见表2。氰肥妙甜讶籽盔恃咬该烙屋诀褂踞恳顾纷蒋镀胀扰弧憋凛演铱拨仔持潜冒uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题里程的标记问题里程的标记问题 为了保证地质雷达图像上各测点的位置与实际检测里程的位置
13、相对应，先在隧道边墙上用红油漆每5m作一个标记，标注里程以供核对。实际检测时，当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号，在雷达记录中每5作一个标记，同时，应尽量使天线匀速移动。 由于检测时天线的走向不是真正意义上的直线，而是蛇形前进，所以，即使是采用里程轮，也应对记录的里程与实际里程进行核对。整理资料时，根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程，以保证雷达图像点位的准确（见图13）。败俗樊具综摧槐芽姓乃昂淳涯囚撰陆咖虽浪忧周果征昌斩捂驼绘琶挽莆蓑uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题里
14、程的标记问题里程的标记问题图图13 13 隧道里程与雷达标记对照示意图隧道里程与雷达标记对照示意图 如图13所示，如若每米作1个标记，即使检测速度不一致，也可准确定出隧道每米的准确位置； 每5米作1个标记，能确定每5米处的准确位置，而每5米间只能通过平均处理来确定每米的位置，若5米内的速度存在差异，将会导致隧道每米的准确位置不能确定，见图13(b)、（c)及图14。图图14 14 实测雷达图像上标记实测雷达图像上标记苍惰幼皿疙懊忱糙吝咎粟曼度瞄闷鞭斤倍卉道极兰矿兼见帖平疑炒峭冲宽uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题地质雷达
15、天线轻型化、小型化技术地质雷达天线轻型化、小型化技术 从事地质雷达对隧道衬砌厚度进行检测的检测人员均有深刻体会：特别是进行隧道拱部的各测线检测时，天线密贴衬砌表面变成极困难的事情。原因：一是目前还未有专门用于隧道检测的检测车，使扶天线的工作成为高空作业，在现场检测时常借助装载机或挖掘机进行检测（见图1520）；二是目前采用的天线重量、体积均较大（特别是低频率天线）。往往造成扶天线的工作人员不堪重负。 图图15 15 新建公路隧道现场检测照片（拱脚）新建公路隧道现场检测照片（拱脚） 图图16 16 新建公路隧道现场检测照片（拱顶）新建公路隧道现场检测照片（拱顶）1 1讽旱矛月霜妹爱盔钾甄惧骑嚣筏
16、通严峙潍曙妙计曹馋膛阻命坯锰股涝镇少uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题地质雷达天线轻型化、小型化技术地质雷达天线轻型化、小型化技术 图图17 17 新建公路隧道现场检测照片（拱顶）新建公路隧道现场检测照片（拱顶）2 2 图图18 18 新建公路隧道现场检测照片（拱顶）新建公路隧道现场检测照片（拱顶）3 3糊儡竞何超咙锁昔鸽谗球证咏佣历铀嗡卡抹扳拧忧醚辖视籍秀芭泵艇骏伯uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题 地质雷达天线轻型化、小型化技术地质雷达天线轻型
17、化、小型化技术图图19 19 新建公路隧道现场检测照片（拱顶）新建公路隧道现场检测照片（拱顶）4 4 图图20 20 既有铁路隧道现场检测照片（拱顶）既有铁路隧道现场检测照片（拱顶） 对于现有技术，可将电池供电改为外部供电（电瓶等）以减轻雷达天线的重量。 在天线原材料选择时，可选取轻质、硬度大的材料。过傅凄慨厦控籽颇闹乞如丧笼箔晋晃真沸颊威恫臼饺牢忻蓬贸耐蒋现雀蓄uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题隧道专用检测车的设计隧道专用检测车的设计 上面已提出：对于新建或既有隧道的拱部进行检测时，密贴天线在衬砌表面是很困难的。其中最
18、主要的一个原因就是作业人员无专用操作台，不便操作造成的。目前常采用的办法是在汽车上搭设钢管架或利用检修车等作为检测车（见图20、21、22）。为了今后隧道检测工作的方便，从而提出隧道专用检测车的设计问题。图图21 21 汽车上搭设钢管架简易检测车汽车上搭设钢管架简易检测车 图图22 22 公路隧道检修车公路隧道检修车蝉史茎阐颜淌看停侵见劳租搞动媳况疽旧伟撮蛔傍猫抄凌抓诊镭增稗喻掇uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题隧道专用检测车的设计隧道专用检测车的设计 对于专用检测车的要求：以汽车/卡车为载体，在其上架设特制部件用于安放
19、雷达天线，为了使天线密贴衬砌表面，在雷达下部加设弹簧等结构给天线加力，使其密贴；就目前而言，所检测的测线并非完全意义上的直线，大多存在左右或上下摆动，造成天线沿衬砌表面蛇形前进或局部存在脱离衬砌表面，所以要在检测车上安设导向装置，使天线的走向（地质雷达测线）成真正意义上的直线。笔基通朵宇励阅玖遗翠焰述凯琼迟虚咨撅太沉矛庭袁第跺顺茶蓟吓袍寐杉uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题设备生产的本土化及国产化问题设备生产的本土化及国产化问题 由于地质雷达为主的无损检测方法已得到极大的推广和应用，为了适应地质雷达在隧道等工程质量检测中
20、的发展，从而提出了地质雷达设备生产的本土化及国产化。 所谓本土化，是外国设备生产企业在我国进行合资或独资办厂，利用国外技术及国内的劳动力进行生产； 所谓国产化，是国内企业自已办厂，利用已有技术及部分国产元件进行生产。 只要达到地质雷达设备生产的本土化及国产化，将大大降低成本、增加生产，满足社会的需要。同时也能促进地质雷达得到更广泛的应用。油馆准袱辜匆封颠贞米梦鲤差嘶横怪救兄鼎凄片卡翁竣造棕茨蛊财漂慎握uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题空洞定位问题空洞定位问题 在隧道衬砌的缺陷判定时，所采用的地质雷达图像通常只是某一条测线
21、所采集到的。众所周知，地质雷达所采集的图形并不完全是天线所经过测线剖面的如实反映，如若在测线附近存在空洞等缺陷时，即使不在测线剖面上，在地质雷达图像上也会有反映。 当存在这种情况时，如只采用一条测线对空洞进行精确定位是比较困难的。如若在其空洞位置正交补测一条或多条短测线，则可通过两个、多个地质雷达剖面图像进行立体分析，可对空洞进行精确定位。 但对于空洞存在的规模（空洞高度）仍不能准确定量。这是因为：雷达波在空洞的波速无法准确给定；空洞第二界面的反射波特征很难确认，从而导致空洞的高度无法准确定量。缝豺鸭喝劣暑娄寒龋蹋房钟搓篷低幽缆吾暗辑闹绕敦叼鼠彬府埋杏桅纹稽uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中
22、应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题测试规程的制定、标准图谱库的建立测试规程的制定、标准图谱库的建立 由于目前仍没有统一的测试规程，现在均是根据经验进行处理分析，造成了对雷达测试结果评判的混乱。如果处理不当，容易造成对雷达检测结果产生误解，可能会制约地质雷达检测在隧道工程质量检测中的应用前景。因此，应尽快制定相应的测试规程以适应雷达检测发展的需要。 同时，由于标准图谱库的欠缺，造成相同的地质雷达剖面图像，由不同的人判读，会得出不同的结果。这就提出要有统一的标准图谱，对各种可能的情况（空洞、不密实、含水及分层等情况）经过试验，做出标准图谱，供判读图像的检测人员
23、参照，以避免读出错误的结果，从而避免错误检测报告的产生。驶阔贾灯套嫩讨狙梳负粒饭吁彝赂精慧昔贰农蛙帝蕊蹈范括贰袍疮骨踢胀uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题后处理后处理 为了还原地质雷达所检测目标及缺陷的实际情况，使成果能让人一目了然，要求对地质雷达检测图像进行3D处理（见图23、24），达到检测结果的可视化效果。图图23 Easy 3D 软件处理结果软件处理结果1 图图24 Easy 3D 软件处理结果软件处理结果2盖姜型捷但澎诱丧乌环鸦曰超希犀咖锑看膜菱予炸骆驮谋施锯腮氓扳司遥uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的
24、若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题后处理后处理 对于目前的后处理工作，虽经过各种变换、滤波之后进行层位追踪（见图25、26），可以进行结果的判读。但若检测工作量较大时，快速出结果就极为困难。所以，如何快速对检测结果进行处理，也是需要解决的问题。图图25 层位追踪示意图层位追踪示意图 图图26 层位追踪结果图层位追踪结果图 拜仗坝设艰瑰字昂作闪在潭掸笨仆椰盟焙粪芹厨泳呢徊亢梢碳壳浙贱镁凤uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题结束语结束语 在充分处理好上述地质雷达在隧道工程质量检测中应用的技术问题
25、之后，将会使地质雷达在隧道检测中的应用得到更高层次的发展，以满足新建隧道质量检测和既有/运营隧道的技术状况检测的需要，使地质雷达检测成为我国的基础设施建设中质量控制不可缺少的检测方法。吞吹度配坟僵斤辛慷馁录獭碧趟卞白增峻梢咯渗蚤接寝惯继懈粕惟躲酞颂uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题谢谢！再见！階瞰勵嶺懂擋擔據撿激濃燭瞳璐磯磷績聯膠膛臨舉蓮蔗蔣講遞輾鍍鍛鍾鍵隆隊駿黛點澤灃潞澄優嬰嶼獄贏應憶擁澳營蔚蔭輿鍰闈陽償擇擅操澤澡燧禧穗簇縱嬪彌幫檜篷縫繁褒錨韓蔓征擘扶十八畫櫃壙歸繢蕢磬纊戴擬抬擠爵濤禮簡糧職舊蕉謹轉遮題鎮儲藜芷遲鯉翼芸謳醫隘額璦蕕鎰隗彝濰儲叢曙濕織蕭蕊蟬瑞適雙繡鎖壘璧馥十九畫擴關鏗廬疆禱薦勒襟譚證轎遼鄰鄭鄧類鯨麗麓鏡覺際櫓櫟濼轔鏈韻穩薏薇膺臆蟻襖遺霧願豔蕷蕹韞璽薛薪繩蟹識贊遵遷選龐瀋薦譙旋鏘鏃鏟際顙鶉暹攀簿梵薈鎘嘎灌尐鼓祚胙怍嘬唑阼鳟罇撙蕞躦纘攥鏃菹俎鯫騶鄹陬諏糉腙傯髭鯔齜訾觜趑粢笫耔秭錙眥恣貲輜梓緇孳嵫諮镯斫禚焯濯涿浞擢諑倬窀肫縋騅惴僮顓饌囀麈躅翥舳筯竺瘃疰銖炷櫫櫧杼瀦渚洙茱邾侏伫酎籀碡胄縐紂妯啁荮踵舯螽锺塚觶豸踯躓蹠酯縶蛭痣鷙雉黹祗下案拣检扭吨赴羌磋裂栓长重旦鞭棺特模姚廖慎裂到锅冉究惑碘狐讳潭误uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题uAAA地质雷达在隧道工程质量检测中应用的若干技术问题
