地质雷达在铁路隧道工程钢筋钢架检测中的应用

第2期福建地质GeologyofFujian191地质雷达在铁路隧道工程钢筋钢架检测中的应用李清华(福建省建设工程物探试验检测中心，福州，350011)摘要隧道工程质量影响着铁道运营，大量的铁道隧道病害表明，钢筋、钢架的缺失是导致隧道病害发生的重要原因。为了严格控制隧道工程的钢筋、钢架施工质量，运用高效率、高分辨率和图像直观的地质雷达无损检测成为了隧道质量检测的重要内容。在简述相关理论的基础之上，分析了地质雷达检测铁路隧道钢筋、钢架的几个典型案例。关键词地质雷达铁路隧道钢筋钢架质量检测1地质雷达技术及其原理地质雷达技术是利用天线发射宽频短脉冲电磁波信号进入介质物体，当电磁波信号遇到不同的媒质界面时将产生反射信号，根据天线接收到的雷达反射波的到达时间、振幅强度等参数进行处理和图像解释，可以推断出目标物体的位置、结构、形态等。地质雷达天线发射的电磁波频率一般为12．5～2500MHz，对隧道工程的钢筋、钢架检测而言，结合使用发射频率为400MHz和900MHz的天线基本能满足衬砌、隧底中钢筋、钢架检测的要求[1]。根据电磁波原理，在介质中传播的平面电磁波，在遇到不同的波阻抗界面时将发生反射和透射，产生反射波和透射波。地质雷达的隧道检测是根据接收到的反射信号来分析评断工程质量的，对地质雷达应用效果起决定作用的是介质的电导率和介电常数，其中电导率决定了电磁波在该介质中的穿透深度，其穿透能力随电导率的增加而减小；介电常数则决定了电磁波在该介质中的传播速度，同时还决定了2种不同介质的对比度(即两个介质的界面是否有反射)以及电磁波在介质中的“足印”(电磁波在介质中的覆盖范围)r-23。垂直界面入射电磁波的反射系数为R一(一~／s。)／(+。)，￡和分别为界面两侧的相对介电常数，电磁波的反射系数取决于界面两边媒介的相对介电常数的差异，差异越大，反射系数也越大]，因此当两侧介电常数差异显著时，反射现象明显。表1为隧道钢筋、钢架检测中常见介质的相对介电常数和电滋波速。在地质雷达频率范围内，雷达脉冲波速度()公式为：v—c／(1)式中：C为真空中电磁波传播速度(O．3m／ns)；e为介质的相对介电常数。收稿日期：2012-03—05作者简介：李清华(1969)，男，工程师，水文地质工程地质专业。 192福建地质GeologyofFujian第31卷表1钢筋、钢架检测中介质的相对介电常数和电滋波速度Table1Therelativedielectricconstansandthevelocityofelectromagneticwaveofcommondielectricsintestingofdistributingbarsandframes介质相对介电常数电磁波速度(m／ns)．空气1O．3混凝土5～80．055～0．12淡水810．O33钢筋O根据电磁波在混凝土中的传播速度和发射、接收的时间差可以判定反射电磁波的目标物体的深度()公式为：—t／2一(2)2√s式中：为电磁波在材料中的传播速度(m／ns)；C为电磁波在空气中的传播速度(0．3m／ns)；t为电磁波传播双程时间(ns)；e为材料的相对介电常数。2检测仪器设备及工作方式2．1仪器设备该次检测仪器设备选用美国GSSI公司生产的TERRASIRCHSIR3000型地质雷达系统(以下简称SIR3000)。该仪器设备具有操作简便、功能全、高精度、高分辨率、坚固耐用、重量轻等优点。检测时可以结合使用频率为400MHz或900MHz的地质雷达天线，一般情况下，该型号雷达系统400MHz天线探测深度最多可达2．5m，900MHz天线探测深度也可达1．2m，满足常见隧道钢筋检测的要求。2．2隧道测线布置方式地质雷达的钢筋无损检测工作要根据检测隧道特点进行合理的测线布置，一般情况下，隧道在拱顶、拱腰、边墙和隧底仰拱布置测线，拱顶和仰拱测线布置在正中间，拱腰测线在拱脚上方0．5～1．0m处，边墙测线布置在边沟盖板上方1．5～2．0m处，仰拱测线布置于铁路轨道铺线上。2．3介质参数标定检测前应对混凝土介电常数做现场标定，每座隧道可在已知厚度部位或材料与隧道相同的其它预制件上测量，也可用钻孔取芯测量对比法得到相对介电常数的准确数值[5]。3工程检测实例实例l：某铁路A隧道隧底仰拱钢筋检测的实测雷达图像图1)，该检测段隧底设计厚度为44．5cm，围岩级别为Ⅱb级，设计单层钢筋铺设间距25cm，采用美国SIR3000雷达仪器，天线频率为400MHz，采样点数为512，采用连续采样的方式，雷达电磁波在混凝土中波速由钻孔取芯标定为0．11m／ns。雷达接收到的钢筋反射信号清晰(见反射亮线)，5 第2期李清华：地质雷达在铁路隧道工程钢筋钢架检测中的应用195孔取芯标定为0．11m／ns。雷达接收到的钢架反射信号清晰，i0m检测中间段钢架缺失，钢架总数仅为7根，未能满足设计要求。4结语(1)地质雷达具有高精度、高分辨率、抗干挠性强、操作方便等特点，该方法被广泛应用于铁路隧道的钢筋、钢架检测中。(2)在进行铁路隧道钢筋、钢架检测时，应预先收集设计、施工资料，并将这些资料与实测雷达波的反射信号作比对，对不同深度的钢筋、钢架数量是否满足设计要求做出准确判断。(3)对于雷达所需设定的相对介电常数，可利用最常用的钻孔取芯测量对比法得到准确数值，以提高检测精度。参考文献1石利锋．地质雷达技术在某铁路隧道质量检测中的应用．福建地质，2010，29(3)．2薄会申．地质雷达技术实用手册．北京：地质出版社，2006．3王兴照．地质雷达在铁路隧道工程检测中的应用分析．土工基础，2008，22(3)．4韩桂武，等．地质雷达预报及检测隧道病害的问题研究．科学勘察技术，2007，(2)．5中国铁路工程总公司．铁路隧道衬砌质量无损检测规程．北京。中国铁路出版社，2004ApplicationoftheGroundPenetratingRadarontheSteelreinforcementandframeDetectionofaRailwayTunnelProjectLiQinghua(FujianGeophysicalProspectingTestandDetectingCsrtevofConstructionWorks，Fuzhou，350011)AbstractTunnelprojectsqualityinfluencestheoperationofrailways．Alargenumberofrailwaytunneldiseasesshowthatthelackofsteelbarsandframesistheimportantcauseofoccursofthediseases．Inordertostrictlycontroltheconstructionqualityofsteelbarsandframes，theapplicationsofgroundpenetratingradar，whichhashighefficiency，highresolutionandintu—itiveimages，aretheimportantcontentsoftunnelstesting．Thispaperanalysizessometypi—calcasesofapplicationofgroundpenetratingradartotestingtunnelsteelbarsandframes，013．thebasisoftherelevanttheories．Keywordsgeologicalradar，railwaytunnel，steelreinforcementandframe，qualitydetection