地质雷达在公路工程质量检测中的应用

摘要:地质雷达因其精确快速的勘测、准确完善的质检,已逐渐成为当前公路隧道工程中应用广泛的一项技术,本文简要介绍了地质雷达的原理,阐述了地质雷达在公路及隧道工程中的具体应用,并在此基础上,指出了地质雷达在隧道检测中将发挥着越来越大的作用以及地质雷达当前的不足之处。

关键词:地质雷达;隧道工程;勘测;检测

工程技术随着公路隧道工程施工技术的发展,地质雷达技术已成为近些年隧道工程应用中的主要探测技术,随着电子技术的不断完善,地质雷达的应用范围被进一步扩大,它不但可以在隧道开挖过程中提供实测地质,还可以在开挖工程完成以后进行空洞、脱层及衬砌检测,以察看是否有超挖等现象,当隧道工程出现开裂、漏水、变形等病害时,则需采用地质雷达进行深部的专项结构检测。本文就地质雷达在公路隧道工程中的各项应用进行如下阐述。

1、地质雷达的原理

地质雷达亦称探地雷达(groundpenetrat

ing-radar,简称GRP)是利用高频电磁波(106～109Hz)探测地下介质电性分布的一种地球物理探测方法,是近年才在国内开始应用于公路检测的一项新技术。它的优点在于对工程可进行无损、连续检测,精度高、效率高。地质雷达主要由雷达主机及天线系统两部分组成。雷达主机又由计算机系统和控制系统组成,天线系统由发射装置及接收装置组成,发射装置包括发射控制器与发射天线,接收装置包括接收控制器与接收天线,其中计算机系统及控制系统主要是为天线系统提供信号的触发,并将天线系统接收到的信号进行数字化模拟,然后对数据进行处理及保存。天线系统则主管接发信号,并将发射脉与电磁波信号进行互转。地质雷达的工作原理是高频电磁波以宽带脉冲形式,通过发射天线以一定角度送入地下或隧道施工面前方,當其通过存在电性差异的地下地层或其它物体(如空洞、分界面)时,便会被反射回地面,再由接收天线接收,高频电磁波在不同的介质中传播时,它的路径、强度、波形及双程走时都会随着介质电性特征及几何形态而发生改变,因此只要对接收到的时域波进行处理及分析,那么就可以确定地下界面或地质体的空间位置及结构。地质雷达探测深度范围和分辨率与所使用的天线频率有关。不同的地质结构或不同的工程实体需要不同的天线频率。

2、地质雷达技术

在隧道工程地质勘察中的应用在桥梁隧道的设计及施工之前,隧道周围及工作面前方的地质情况及水文情况必须要被详细勘探,以往的地质勘察技术都是采用工程钻探,这种方式既耗费人力,又花费大量的时间,当地质变化丰富,岩层起伏不一时,单纯的依靠工程钻探就会产生较大的误差,易造成工程事故的发生,但如果采用地质雷达技术,就可较准确的预报地质情况,避免事故的发生。地质雷达技术在隧道工程勘测中常用来检测断层、溶洞的具体情况,地质雷达一个最主要的任务及目的就是要勘测清楚断层的空间分布情况、产状及其规模,在断层影响带中有时会存在着裂隙密集带等地质体,由于裂隙中积存有成分不一的、均匀性不定的充填物,与周边的地质形成电性差,所以采用地质雷达即可探知裂隙密集带是否存在,从而为探知断层地质提供了物理基础。

3、地质雷达在公路质量检测中的应用

随着公路建设事业的飞速发展,公路施工技术也越来越趋于先进,原有钻探取样式的公路质量检测方法已经逐步被地质雷达技术所取代,作为一种高效、先进的无损检测方法,地质雷达法能够对隧道衬砌实施连续扫描,获得形象直观的探测图像。采用地质雷达技术对公路进行质量检测,不仅无损路面,且效率较高,操作简便。

3.1 公路路面厚度检测

我国传统的路面厚度测试方法是钻芯取样法和挖坑检查法,这两种方法盲目、费时、效率低,且破坏原有的路面结构,在开放交通的情况下尤为危险。采用电磁波反射原理研制成的无载波脉冲地质雷达可以高精度地对地下目标进行无损、实时、连续的纵剖面成像,是目前有效解决路面厚度质量检测问题的一项高科技手段。

公路检测最主要的内容就是路面厚度检测,一般的公路其路面厚度只有20cm厚度左右,在厚度探测时,允许的误差范围只能够在正负1cm之内,地质雷达的分辩厚度为子波波长的1/4,电磁波在水泥混凝土或沥青混凝土中的传播速度约为0.1m/ns,从而可计算出地质雷达应采用900MHZ以上的中心探头,即可保证检测20cm厚度的路面误差在1cm之内。

也就是说,路面厚度检测的基本原理是根据电磁脉冲在路面与路基界面的反射时间和传输速度,求得路面的厚度。因此,厚度检测的关键,首先是检测路面底界面的回波时间,确定电磁波在道路面层中的传输时间t;其次要确定电磁波在路面中的传播速度v。有了这两个参量,即可得厚度值s。

3.2 路基与路面病害检查

公路一旦正式使用之后,其路基与路面不断受到车辆荷载及自然风化因素的影响,久而久之地基会发生变化,路基也会产生过量沉降,形成空层、空洞、暗穴及滑坍等,路面会出现明显的损坏,形成沉陷、车辙、推移、开裂等现象。查明导致病害的原因具有重要的意义,采用地质雷达技术只要勘测出整段公路的路基、路面剖面图,就可直接从图上读出路基、路面的病害程度、范围,为公路的维修及养护提供最有力的保证。

4、地质雷达在隧道检测中的应用

隧道在建设过程中往往会出现欠挖、超挖、衬砌厚度不合要求、衬砌后有空洞及支撑结构质量等问题。传统的解决办法是采用破损检测,这样就会对工程埋下新的质量隐患,而采用地质雷达技术,不仅可以提供全方位、准确无误的检测,且工程无需破损。

4.1 衬砌背后空洞检测

在公路隧道开挖过程当中,当开挖遇到岩石破碎层时往往会造成超挖,回填后,由于处理不当的原因,可能会形成衬砌背后空洞,从而引起拱顶上鼓及衬砌内缘压裂、掉块等现象,另外,当前隧道施工主要采用模筑泵送混凝土进行二次衬砌施工,这种施工方法易在拱顶施工接缝处形成类三角形空洞,采用地质雷达技术,就可以对这些空洞实施具体的检测,针对空洞的具体情况,采取措施进行补救。

4.2 层间脱空检测

在隧道的拱顶及拱角的位置,由于混凝土存在自重,所以在衬砌及围岩之间易产生空隙,这种空隙就称为层间脱空,采用雷达进行检测时,可对隧道拱顶、拱腰处设置均匀测线,沿有可能发生层间脱空的混凝土面板进行测试,由于脱空层在雷达图像上会表现出很强的反射信号,故只需对收集到的雷达信号进行分析,即可对整个隧道的层间脱空进行精确把握及检修。

4.3 衬砌厚度检测

衬砌厚度检测是隧道施工质量检测中的一个主要指标。通过隧道围岩、初衬及二衬表面的反射,地质雷达利用时间触发进行连续探测即可计算出衬砌的厚度,现在多采用在初衬与二衬之间设置金属反射片,通过反射片可使地质雷达天线精确接收到电磁波反射波,精确得到衬砌的厚度及变化规律。

4.4 支护结构质量检测

对支护结构质量的检测,是对已完全支护结构所受应力、结构材质、结构厚度、结构强度进行探测,通过钢筋、型钢拱架及二衬对接收的电磁波程度强弱,即可判断各支护结构的具体位置、厚度、数量及间距。衬砌内钢支撑也是承载的主要结构,故对其铺设也要进行探测,以检查其是否满足设计要求。

5、结语

地质雷达技术是一种高速、精确和安全无损的检测技术,该技术已经逐渐成为公路及隧道有效的勘测及检测方法,它可以对公路及隧道施工质量做出精确客观的评价,在工程建设中具有着广阔的前景,但是当前地质雷达还存在着很多局限性及片面性,对一些检测仅仅停留在定性解释的表面,在定量解释方面还不完善,因此如何改善地质雷达,使其能够定性及定量的解决工程问题还是一个值得广大工程技术人员深入研究的课题。

参考文献:

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