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专家特稿

浅谈雷达波速标定问题

点击次数: 1034   更新时间:2020-04-24

浅谈雷达波速标定问题

刘东坡 李 佳

(甘肃智通科技工程检测咨询有限公司 岩土中心 甘肃 兰州 730000 )

摘要 重点研究隧道检测工作中,雷达波速的标定问题,通过钻芯法、标准试件法、量测明洞法、激光断面仪法等方法的对比,得出更适用于实际工作中的方法。
关键词 雷达波速;钻芯法;标准试件法;量测明洞法;激光断面法

 

中图分类号:TN95  文献标识码:A  文章编号:

课题提出的背景

    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,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。

课题研究的意义

    探地雷达检测公路隧道衬砌厚度属于反射探测法,工作原理是利用高频电磁波(主频从数兆赫至上千兆赫)以宽频带短脉冲的形式,由衬砌表面通过发射天线向衬砌内部发射电磁波,由接收天线接收电磁波,当电磁波在衬砌内部传播,遇到具有电性差异的介质时,电磁波反射回衬砌表面,根据电磁波的传播时间及波形特征,可以确定地下介质(目标体)的空间位置和几何形态,介质间的电磁特性差异越大,其介质间的界面越易识别。

课题研究的理论依据

 对衬砌进行探测时,将雷达天线在测线上拖动,电磁波由天线进入衬砌中,当电磁波遇到围岩及异常界面时,由于有明显的介电常数差异,会产生反射,并被接收天线所接收,深

度由以下公式得出:

                                                                (1)

式中:为异常界面的深度;是电磁波在介质中的传播速度;为电磁波的双程传播时间。

由以上公式可知,当已知异常界面深度及双程传播时间时,就可计算出电磁波在介质中传播的平均速度,即可标定隧道厚度检测时所应使用的平均波速。

课题研究的目标

    通过对多种雷达波速标定方法的比对研究,寻找一种准确且易操作的波速标定方法。

课题研究的研究过程

    通过查阅各类相关文献,咨询各方面专家,已知的求取电磁波波速的方法可以分为七种:

 (1) 已知介电常数,估算速度;

 (2) 用已知深度反求平均速度;

 (3) 采用地震勘探中CMP(共中心点)的求速度法;

 (4) 利用地下点目标上反射双曲线的弧度求速度;

 (5) 用反射系数求速度;

 (6) 用初至波求速度;

 (7) 迭代偏移处理求速度。

    相对于后几种处理方法的复杂和理论与实践的偏差控制难度,公路工程检测中最常用、最简单的是第二种方法,即利用其它检测手段,得出某点位深度值,反算电磁波波速。而目前主要有钻芯法,制作标准试件法,量测隧道明洞厚度法和激光断面仪法。

 5.1钻芯法测混凝土衬砌厚度

    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。

                                                    2

 

    我公司曾在成武高速太石隧道YK12+052.5处进行衬砌厚度钻芯,实测厚度为0.27m

在雷达图像分析软件中看出,双层走时T约为6ns

    由式(2)可知,电磁波在YK12+052.5处衬砌中传播的平均速度为0.09m/ns。当大量钻芯量取芯样厚度时,可以求取不同部位的电磁波平均波速,以求取该隧道衬砌的平均波速。

    但在隧道衬砌上取芯易破坏隧道的防排水系统,且操作费时费力,故不推荐。

5.2制作标准试件法

除了现场钻芯以外,还可通过制作已知厚度的标准试件,通过式(2)求取电磁波波速。

但电磁波在混凝土中传播的速度受各方面影响较多,标准试件中的波速与衬砌中的波速会有一定差异,而且此方面需要施工方提前制作标准试件配合,可操作性较差,故不推荐

5.3量测隧道明洞厚度法

    当遇到可量测厚度的隧道明洞时,可以通过量测隧道明洞厚度,通过式(2)来求取隧道衬砌平均波速。

    但隧道明洞结构中大多设有钢筋,而有的衬砌类型中没有钢筋,仅为素砼,钢筋的存在也会造成电磁波波速的差异,故不推荐。

5.4 激光断面仪法

使用激光断面仪对隧道二衬前断面进行检测,待二衬完成后在同一断面再次进行检测,通过相同位置两次检测结果的差值,可得出检测断面二衬的准确值。再根据式(2)利用此准确值对地质雷达在二衬混凝土中传播的波速进行标定。

    使用BJSD-Ⅳ型激光断面仪分别于二衬施工前和二衬施工后对临合高速公路双城隧道ZK19+435拱顶处进行断面尺寸检测,可知同一断面处厚度差值为0.5+0.178-0.092=0.586(m)

    在雷达图像分析软件中看出,在临合三标双城隧道ZK19+435处雷达波双程走时为12ns,根据式(2)求出波速为0.098m/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

课题研究的成果

    通过对钻芯法,制作标准试件法,量测隧道明洞厚度法和激光断面仪法的比对分析,可得出以下结论:

(1)采用钻芯法求取电磁波平均波速准确度最高,而且符合规程规范要求。但易破坏隧道防排水系统且不易操作。

(2)当隧道衬砌类型同隧道明洞衬砌类型相似时,可以使用量测隧道明洞厚度法,但当隧道衬砌类型同隧道明洞衬砌类型相差较大时,不宜采用此方法。

(3)激光断面仪法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。

参考文献

[1]  李大洪地址雷达的应用现状及发展前景[J]. 煤田地质与勘探,1997, 25(5): 60-64

[2]  刘立英地质雷达在工程物探中的应用研究[D]. 成都:成都理工大学, 2008,(05).

[3]  董延明,孔祥春影响地质雷达工作的因素分析[J]. 物探装备, 2007, 17(2): 130-133.

 


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