讲座之三：铁路隧道衬砌质量的无损检测

讲座之三：铁路隧道衬砌质量的无损检测第1节隧道衬砌质量无损检测内容与方法隧道混凝土衬砌质量检测包括：①隧道衬砌厚度；②隧道衬砌背后未回填的空区；③复合式衬砌中两层衬砌间较大的空段；④施工时坍方位置及坍方的处理情况；⑤衬砌混凝土强度。有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置。衬砌混凝土质量的现场检测，曾经常采用电阻率法、瑞利面波波速法等来检测前面的①-④项，近年来采用地质雷达检测混凝土质量得到了广泛的应用。美国劳雷公司生产的SIR-3000型地质雷达仪它是目前世界上最先进的地质雷达之一。序号名称单位数量1主机台12400M天线套13传输电缆套14270M天线套15软件套1SIR-3000型地质雷达基本配置第2节地质雷达法检测原理地质雷达法（GroundPenetratingRadar,简称GPR）利用主频106Hz～109Hz波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发至地下，经地下目标体或地层的界面反射后返回地面，被雷达天线接收器所接收，通过对所接收的雷达信号进行处理和图像解译，探测隐蔽介质的分布和特征。在隧道衬砌厚度的检测中，主要涉及到媒质有：混凝土、钢筋、空气、水和围岩，其物性差异如下表常见物质的相对介电常数介质介电常数（相对值）电磁波速V（m/ns）空气10.3水810.033花岗岩（干）50.15土（湿）150.077砂质土（湿）250.06混凝土6.5～120.09～0.13钢筋∞——从表中可以看出，隧道内所涉及到的这几种媒质物性差异较大，会形成较强反射。比如当衬砌内有脱空或钢筋（钢拱架）都会产生十分强烈的反射。

物性的明显差异正是地质雷达法检测隧道衬砌质量和钢筋数量的前提条件。1、计算衬砌厚度：地质雷达发射天线向隧道壁发射高频宽带短脉冲电磁波，遇到相对介电常数差异较大的介质（如空洞、衬砌界面等）就会产生反射波，接收天线接收反射回来的电磁波并记录其反射时间。根据电磁波在介质中的电磁波速（v）和双程旅行时间（t）可以计算衬砌厚度。2、发现衬砌缺陷（初期支护背后回填不密实，初衬与二衬之间有空隙）：当天线沿隧道壁移动时就能得到衬砌内部电磁波走时图像（见下图）。电磁波由空气进入二衬的混凝土层，会出现强反射；同样，当电磁波由二衬传播至初衬继而由初衬传播到岩层时，如果二衬和初衬接合不良，或存在空隙，亦会导致雷达剖面相位和幅度发生变化，由此可确定衬砌厚度和发现施工缺陷。3、确定钢筋分布（钢筋，钢格栅，钢筋网等）：电磁波遇到以传导电流为主的介质，比如衬砌中存在的钢筋，会出现强反射，在雷达剖面上呈现明显异常，以此可确定钢筋分布情况。第3节检测方法1、测线布置对于双线隧道，按照《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TB10223－2004)，需在隧道中共布置7条测线，其中拱顶位置一条，左右拱腰、左右边墙各一条及仰拱两条。其中左右拱腰测线在两边起拱线以上1m左右，左右边墙测线在两边水沟盖板以上1.5m左右，仰拱测线布置为左右线路中心线（线路中心处，单线一条，双线两条）。左边墙测线左拱腰测线右拱腰测线右边墙测线左仰拱测线拱顶测线右仰拱测线2、介质参数标定检测前对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，对隧道长度小于3km的隧道，取一处进行实测，实检不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。当隧道长度大于3km，应适当增加标定点数。标定采用以下方法的其中一种：（1）在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；（2）在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；、（3）钻孔实测。求取参数应具备两点：①标定目标体的厚度一般不小于15cm，且厚度已知；②标定记录中界面反射信号应清晰、准确。标定结果按下式计算：式中：—相对介电常数；v—电磁波速（m/s）；t—双程旅行时间（ns）；d—标定目标体厚度或距离（m）。3、工作步骤（1）在卡车车厢上或铁路平板车上用钢管搭架并铺木板制成工作平台。（2）检查主机、天线以及运行设备，使之均处于正常状态。（3）检测：检测时，将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线以5km/h左右的速度滑动，由雷达仪主机高速发射雷达脉冲，进行快速连续采集。为保证点位的准确，在隧道壁上每5m或10m作一标志，标上里程。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5m或10m作一里程标记。内业整理资料时，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。第4节地质雷达的资料处理与解释

1、资料处理和编录整理以及设计资料的汇集现场采集的数据要经过滤波、去噪、均衡等处理，打印成时间剖面图。为了使图纸的计算与实际里程相符，必须在图纸上标注里程及5或10m的间隔标记，并要将一些特殊情况，如电气化线路隧道中的锚节点位置、隧道中的变截面位置、灯或通风机位置等标于图上。对隧道衬砌质量作检测和评价，还必须掌握该隧道的设计情况，如围岩分类、设计参数、施工方法和步骤等，特别是长隧道，地质复杂，设计参数变化多，有时还由不同单位分段施工，掌握这些资料，对探查资料判释和隧道质量评价很有必要。2、数椐处理步骤：

数据处理与解释程图3、资料的分析判别（1）二衬砌界面的判识在探地雷达图像的上部，一般振幅较强，同轴同相比较连续的第一组波形为衬砌界面反射信号。界面判识后输入正常的介电常数值，即可由计算机自动计算出衬砌厚度值，厚度的计算公式为：（2）钢拱架位置及判识在地质雷达图像中，电磁波遇到钢筋时产生极强的反射，反射波的位置为钢筋距测试面的距离（背水面保护层厚度）；通过滤波处理，确定各里程段钢筋拱架分布情况及背水面保护层厚度。（3）衬砌混凝土缺陷及位置判识（空洞和衬砌不密实）由于衬砌混凝土与空气的相对介电常数的差异较大，所以探地雷达图像中表现为振幅较强的界面反射信号（多次波）。空洞的明显特征就是有强烈的多次反射，波从相对介电常数大的物质（C20混凝土为8左右）进入相对介电常数小的物质（空气为1）中时，根据波动原理，在上界面处会先叠加为负波，可在雷达图像中准确拾取界面反射的双程旅时，根据公式求得缺陷的位置；衬砌不密实可能是由于混凝土离析振捣造成的，从波形特征与空洞的反射相似，但反射很弱；混凝土中有钢筋时也会产生反射，波从相对介电常数小的物质（C20混凝土为8左右）进入相对介电常数大的物质（钢筋为∞）中时，根据波动原理，在上界面处会先叠加为正波。对于复合衬砌隧道,当第一次衬砌与第二次衬砌之间存在空隙时,界面上读取的厚度值为隧道的二次衬砌厚度，若二者密贴良好，则为一、二次衬砌合值；对于非复合衬砌隧道,该界面上读取的厚度值即为隧道的衬砌厚度值。第5节雷达探查的典型图象1、衬砌界线混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩（或其间空区中的空气）有明显的介电常数差，因此在时间剖面图上，衬砌底面和岩石之间有明显的界线。雷达发射的直达波延续4个周期以上，0～12ns左右的目标物的反射波均与它相叠。雷达的直达波呈现几条平直的水平同相轴的图像，而围岩开挖总有或大或小的不平，故衬砌底界，即它与围岩的分界面的反射波同相轴一般为有起伏的非直线图像，这是很易辨认的。喷射混凝土与模筑衬砌介电常数有差别，但不是很大，它们之间若接触很好或粘结，则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。如果喷射混凝土中有钢质拱架和钢筋网，则由于它们可强烈地反射雷达波，故可看到连续的绵延的反射图像。2、拱架与钢筋网在地质雷达图像中，电磁波遇到钢筋时产生极强的反射，反射波的位置为钢筋距测试面的距离（背水面保护层厚度）；通过滤波处理，确定各里程段钢筋拱架分布情况及背水面保护层厚度。图中由于钢筋的界电常数为∞，图中可见连续的小双曲线反射，这是钢筋网的代表性反射图。混凝土中布置的钢筋网典型的格栅钢架反射图图中两标距之间为10米，每10米的钢架为9榀达到了设计要求。3、衬砌混凝土缺陷混凝土内部缺陷包括欠密实、脱空等现象，欠密实其表现为波形杂乱且不连续的反射波形。复合衬砌与围岩间的不密实带

某隧道仰拱部位混凝土中出现的不密实区第6节提高检测精度的措施

1、详细了解检测区间物理状态衬砌层物理状态的变化直接影响到雷达波的变化，影响因素主要是含水量的变化、检测面平整度、衬砌层砼材料配比变化、衬砌层结构变化。隧道检测有许多条测线，分若干次检测，每条检测的衬砌层物理状态变化情况并不完全一致，这就需要较为详细地了解设计资料、隧道的施工记录，同时在检测过程中还要做好外业记录(如渗水、平整度等)。只有这样才能根据客观情况，有针对性地对地质雷达资料进行合理的分析。

2、合理布置取芯点位影响检测精度的主要问题是标定的地质雷达的电磁波速度，根本问题是不同区间介质物理状态的变化，实质问题是介电常数的变化。当使用地质雷达进行隧道检测时，合理布置用于标定雷达波速的取芯点位，对衬砌层在不同物理状态下的雷达波速进行分别统计，并分析雷达波速的变化规律，有效控制因雷达波速的误差带来的探测偏差或较大误差