探地雷达与高频面波在隧道衬砌检测中的运用对比

胡启华1，昝月稳1,2，孙文龙1，苏国锋1，蔡文博1

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川成都611756)摘要：介绍探地雷达和高频面波检测隧道衬砌的原理和使用方法，结合数据采集(系统)和处理过程，分别对各自的成像效果进行分析和对比，阐述2种技术在隧道衬砌中检测范围的不同点和相同点。通过2种技术在隧道衬砌中的应用，说明其对隧道衬砌厚度的拾取有着很好的效果，但是，探地雷达能很好地反映隧道衬砌内部水的存在和位置，而高频面波对隧道衬砌是否密实有很好的判断。关键词：探地雷达；高频面波；隧道衬砌；渗水问题中图分类号：U45；P631文献标志码：A文章编号：1672−7029(2017)06−1301−05Comparativestudyofground-penetratingradarandhigh-frequencysurfacewavein

thedetectionoftunnellining

HUQihua1,ZANYuewen1,2,SUNWenlong1,SUGuofeng1,CAIWenbo1

(1.SchoolofEarthSciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.State-provinceJointEngineeringLaboratoryinSpatialInformationTechnologyforHigh-speedRailwaySafety,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China)Abstract:Thispaperdescribedtheprinciplesandmethodsofhigh-frequencysurfacewaveandgroundpenetratingradarinthedetectionoftunnellining,thendescribedthedifferencesandsimilaritiesinthetunnelliningdetectionthroughanalysisandcontrastoftheimage.Theresultsshowthatbothtechniqueshaveagoodeffectinthethicknesspickupoftunnellining.Theground-penetratingradarcanreflectthepresenceandlocationofwaterinsidethetunnellining,whilehigh-frequencysurfacewavetechnologydensesurfacewavehasagoodjudgmentofthedensityoftunnellining.Keywords:groundpenetrateradar;high-frequencysurfacewave;tunnellining;seepageproblem随着我国经济发展，国家对铁路建设投入的不断加大，所建的隧道随之增加[1]。隧道作为交通工收稿日期：2016−07−03基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT13092)程的重要组成部分，其工程质量问题也备受人们关注。根据目前运营的隧道来看，其最为常见的质量通信作者：昝月稳(1958−)，男，山西临猗人，教授，博士，从事岩土工程测试及岩石强度理论，铁路车载探地雷达技术及其应用方面的研究；E−mail：dhxyzyw@home.swjtu.edu.cn1302铁道科学与工程学报2017年6月问题有衬砌背后脱落和局部不密实等。不管是新建隧道还是已经投入运营的隧道都有安全隐患。对此，隧道的质量检测也成了工程质量检测保证中的重要组成部分。探地雷达与高频面波检测技术[2−3]作为新型的、高效的无损检测技术在隧道质量检测中得到了广泛应用。1基本原理与方法

1.1探地雷达探地雷达(GroundPenetrateRadar，简称GPR)方法[4−5]，是利用高频电磁波以脉冲形式通过利用一个天线发射，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，找出探地雷达图像特征所对应的介质特征的含义，从而可推断介质的结构。当两种介质(如钢筋和混凝土)的电磁特性差异较大时，电磁波的发射和折射强度较大。反射的强弱直接与介电常数有关。表1为探地雷达在350MHz天线下，与隧道结构有关的部分介质的介电常数和波速。表1部分介质的介电常数与波速Table1Dielectricconstantandvelocityofpartmedium介质介电常数波速/(m∙ns−1)空气10.3淡水810.03铁3000.017混凝土6−90.1岩土6−70.1砂、土(干)3−50.13−0.17砂、土(湿)6−400.05−0.1图1为探地雷达工作原理图。电磁波在隧道衬砌结构中的双程走时为：t4h2x2/v(1)v

c

(2)r式(1)中：x为发射天线T与接收天线R之间的距离；v为电磁波在介质中的波速；h为反射界面的深度。式(2)中：c为光速，εr为介质的相对介电常数，当波速v已知时，可以通过读取雷达剖面上反射信号行程时间来计算反射界面的深度h。当发射天线(T)和接收天线(R)相距很近时，目标的深度h近似为：hvt/2(3)图1探地雷达原理图Fig.1PrinciplediagramofGPR1.2高频面波具有非侵入、无损及高效等特点的物探方法已经备受重视。面波被大家视为未来最有希望的无损检测技术之一，越来越受到浅地表地球物理和地质工程界的重视。面波检测[6−7]就是利用瞬态冲击力作为震源激发面波，地表在脉冲载荷的作用下，产生波动。在离震源的远处，用检波器记录面波的垂直分量。然后对记录的面波信号做频谱分析和处理。计算并绘制出频散曲线，根据频散曲线的特征分析解决地质问题。Rayleigh面波从震源出发沿二次衬砌传播，当在传播过程中遇到非均匀地质体时会发生散射返回接受传感器1和2。图2为面波原理图。根据Rayleigh面波的传播理论，沿被测介质体表层传播的Rayleigh面波对被测介质体的有效深度在一个波长内，同时不同波长的Rayleigh面波的传播速度可以得出地表下不同深度介质的物理性质。第6期胡启华，等：探地雷达与高频面波在隧道衬砌检测中的运用对比1303图2面波原理图Fig.2PrinciplediagramofthesurfacewaveRayleigh面波是一种由多种简谐频率(f)组成的脉冲信号，并且每一个频率f都对应一个Rayleigh面波相速度vR[8−9]。因此，组成面波脉冲的每个频率的简谐波动的垂直位移Uz可记为：UZAcos(txV)(4)R式中：2πf2π/T代入上式，得：UZAcos(tx2πfxV)Acos(t)(5)RVR式中：2πfx2πfxV为X处的振动相位角；V为RR检波器x1和x22点处的相位差。即2个检波器x1

和x2相距Δx的相位差可化成相速度为：VR2πfx(6)面波勘探应用的主要是其两大特性，其一是面波的频散特性；另一个是面波的相速度与介质体的物理力学性质的相关性。面波检测分3个基本步骤[10]：1)数据采集；2)形成瑞利波频散曲线；3)反演频散曲线得到横波速度剖面。其中频散曲线最为重要。频散现象就是面波传播到不同的介质中时，有着不同的频率，不同频率在介质中的传播速度不同。那么频散曲线就是指不同频率的传播速度与频率相关的曲线。2模拟试验

本次模型针对衬砌内空洞进行试验，衬砌强度等级为C20。本次检测分别在大雨过后和晴天进行，为了了解二衬不密实而导致的渗水问题，分别采用探地雷达图像和高频面波进行检测和数据分析，比较其效果。检测在模型相同的位置上对其进行，模型的长为300cm，宽为200cm，厚度为30cm。试验模型如图3。图3试验模型结构图Fig.3Testmodelstructure2.1探地雷达检测试验本次试验采用由GSSI公司生产的探地雷达GSSISIR-20进行检测，并且选择的天线频率为350MHz。检测过程中天线按照图3在宽为100cm的位置往右进行检测。图4~5均为模型的雷达图像，图4中，在纵坐标接近0处白色最亮区即能量最强为直达波。在纵坐标11ns的位置为模型衬砌与空气的界面，在16ns的位置即为模型衬砌的下界面，通过Radan6.6处理，对厚度拾取，从图4中表格数据得出模型衬砌厚度约为30cm。因此可以看出雷达能很好并准确地拾取衬砌的厚度。雷达波在水中传播比混凝土中慢，水的介电常数较大，故其反射波的能量相对其他物质的反射波能量要强，故呈现亮白色带状。经过对雷达图像的去直流，去背景及人工放大等处理得到图5。在图4和图5渗水的相同位置，可以得出雷达对水识别较为敏感。2.2高频面波检测试验本次试验采用美国Olson公司的表面波频谱分析仪(SASW)，检测过程中2个传感器按照图3在宽为100cm的位置往右进行检测，同时在检测时小锤敲击因使落锤点尽量与两传感器保持在同一条直线上，其道间距为40cm。1304铁道科学与工程学报2017年6月图4模型的雷达图像Fig.4Radarimagesofthemodel图5对模型渗水位置进行人工放大Fig.5Manualamplificationofseepagepositionofthemodel从图6~72种情况下的频散曲线结果来看，面波在模型衬砌检测中，其频散特性很明显。在图6无渗水情况的模型中看到，模型衬砌的厚度很明显，在波长为0.3m左右，其波速明显下降，即为模型衬砌的下界面，即厚度为30cm。和模型的衬砌和探地雷达所检测的厚度一致。而且无渗水情况下模型衬砌的波速在1900~2300m/s之间，平均波速为2196.13m/s。而从图7中看到，模型衬砌的厚度还是很明显，即厚度为30cm左右。其说明渗水与否对面波检测其厚度关系不大。但是渗水情况下模型衬砌的波速发生了变化，其波速在1400~2200m/s之间，平均波速为1839.83m/s。从图6~7中可以看到，其波速在模型衬砌中都是规则增长，对不密实区通常以相对低速区表示，但是从图中可以看出模型衬砌的密实度还是不错的。当然，通过频散曲线可以得出面波的速度，然后，应用面波的速度值与密度值的相关关系计算其密实度，其可以量化衬砌的密实度。图6无渗水情况Fig.6Nowaterseepageconditions图7渗水情况Fig.7Waterseepageconditions3结论

1)高频面波和雷达均可识别衬砌厚度并反映隧道内部的一些缺陷问题，而雷达对水的敏感程度远大于面波。面波对水的检测有一定的效果，但是雷达图像可更直观、较好地反映隧道衬砌内部水的存在和位置，并且还可以根据反射波的强弱显示水在衬砌中不同位置的水量的大小情况。2)对于衬砌内部区域的是否密实，在频散曲线中相对低速区一般为不密实。高频面波还可以通过频散曲线分析计算出代表衬砌强度的横波速度，进而直接定量了解衬砌的密实情况。但通过雷达图像却无法了解衬砌的密实度。参考文献：[1]刘向磊.地质雷达法在隧道衬砌无损检测中的应用研第6期胡启华，等：探地雷达与高频面波在隧道衬砌检测中的运用对比1305究[D].天津:河北工业大学,2012.LIUXianglei.GeologicalRadarinthetunnelliningnondestructivetestingapplication[D].Tianjin:HebeiUniversityofTechnology,2012[2]车爱兰,冯少孔,常旭.高密度面波探测在隧道混凝土质量检测中的应用[J].上海交通大学报,2011,45:1−6.CHEAilan,FENGShaokong,CHANGXu.Applicationofsurfacewavesurveytonondestructivetestoftunnelconcretelining[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2011,45:1−6.[3]Sung-HoJoh,SeonKeunHwang.Nondestructiveassessmentofinternaldefectsinconcertesleepersofhigh-speedralwayinKorea[J].Railway-ResearchOrg,2011:22−26.[4]张金花.车载探地雷达天线特性分析及其成像处理研究[D].成都:西南交通大学,2014.ZHANGJinhua.Investigationoncharacteristicsofgroundpenetratingradarantennaandimageprocessing[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2014.[5]邓普.铁路车载探地雷达检测隧道渗漏水的研究[D].成都:西南交通大学,2015.DENGPu.ResearchondetectionofrailwaytunnelseepagewithtrainmountedGPR[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity,2014.[6]薛新华,张我华,刘红军.SASW法在公路复合地基检测中的应用[J].科技通报.2006,22(5):689−694.XUEXinhua,ZHANGWohua,LIUHongjun.ApplicationofSASWintestingroadcompoundfoundations[J].BulletinofScienceandTechnology,2006,22(5):689−694.[7]崔建文,乔森,樊耀新.瞬态面波勘探技术在工程地质中的应用[J].岩土工程学报,1996,18(3):35−40.CUIJianwen,QIAOSen,FANYaoxin.Applicationoftransientrayleighsurfacewaveprospectingmethodtoengineering,geology[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,1996,18(3):35−40.[8]李青山,张献民,李红英.路基压实度的瞬态瑞雷波检测法[J].河北工业大学学报,2003,32(5):27−30.LIQingshan,ZHANGXianmin,LIHongying.Themethodoftransientreyleighwaveappliedinroadbedcompactiondegreetest[J].JournalofHebeiUniversityofTechnology,2003,32(5):27−30.[9]

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