檢測(cè)原理

隧道工程雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar, GPR）基于電磁波傳播原理。發(fā)射天線向襯砌內(nèi)發(fā)射高頻電磁脈沖，當(dāng)電磁波遇到介電常數(shù)差異的界面（如混凝土與空氣、鋼架或空洞）時(shí)，部分能量反射并被接收天線捕獲。通過分析反射波的振幅、相位和時(shí)延，可推斷襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部特征：

• 厚度檢測(cè)：電磁波在襯砌表面與圍巖界面反射，時(shí)延與波速成正比。波速由襯砌介電常數(shù)決定，通過雙程走時(shí)計(jì)算厚度：$d = v \cdot t / 2$，其中 $v$ 為波速，$t$ 為雙程走時(shí)。

• 回填密實(shí)度檢測(cè)：空洞或疏松區(qū)介電常數(shù)低于密實(shí)混凝土，導(dǎo)致反射波振幅增強(qiáng)且極性反轉(zhuǎn)。密實(shí)度通過反射信號(hào)能量衰減程度定量評(píng)估。

• 鋼架與鋼筋分布：金屬構(gòu)件介電常數(shù)顯著高于混凝土，引起強(qiáng)反射信號(hào)。鋼筋的周期性分布會(huì)產(chǎn)生特定頻率的散射信號(hào)，鋼架則表現(xiàn)為連續(xù)的高振幅反射帶。

科學(xué)依據(jù)為麥克斯韋方程組，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度 $v = c / \sqrt{\varepsilon_r}$（$c$ 為光速，$\varepsilon_r$ 為相對(duì)介電常數(shù)），反射系數(shù) $R = (\sqrt{\varepsilon_1} - \sqrt{\varepsilon_2}) / (\sqrt{\varepsilon_1} + \sqrt{\varepsilon_2})$ 決定界面反射強(qiáng)度。

檢測(cè)項(xiàng)目

1. 襯砌厚度檢測(cè)：

   • 平均厚度：評(píng)估襯砌整體厚度均勻性。

   • 厚度變異區(qū)：識(shí)別厚度不足或超挖區(qū)域。

   • 界面缺陷：檢測(cè)襯砌與圍巖間脫空層。

2. 背后回填密實(shí)度檢測(cè)：

   • 空洞識(shí)別：定位襯砌背后空洞的位置與規(guī)模。

   • 疏松區(qū)檢測(cè)：評(píng)估回填混凝土的密實(shí)程度。

   • 防水板狀態(tài)：檢測(cè)防水板鋪設(shè)是否緊密。

3. 內(nèi)部鋼架與鋼筋分布：

   • 鋼架間距：測(cè)量型鋼或格柵鋼架的安裝間距。

   • 鋼筋網(wǎng)格：識(shí)別鋼筋直徑、間距及保護(hù)層厚度。

   • 金屬構(gòu)件腐蝕：通過信號(hào)衰減評(píng)估鋼架銹蝕可能。

檢測(cè)范圍

• 交通隧道：鐵路、公路隧道襯砌質(zhì)量驗(yàn)收與運(yùn)維檢查，需覆蓋拱頂、邊墻及仰拱。

• 水利隧洞：水工襯砌厚度與回填密實(shí)度檢測(cè)，防范滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

• 礦山巷道：初期支護(hù)的鋼架分布與背后空洞排查。

• 市政綜合管廊：襯砌結(jié)構(gòu)完整性及鋼筋配置符合性驗(yàn)證。
  要求檢測(cè)覆蓋縱向連續(xù)測(cè)線，測(cè)線間距不大于1米，區(qū)域（如拱頂）加密至0.5米。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

• 中國標(biāo)準(zhǔn)：

  • 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70）：要求襯砌厚度偏差≤±5%，背后空洞面積率＜3%。

  • 《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程》（TB 10223）：規(guī)定雷達(dá)法檢測(cè)鋼架間距誤差≤±50mm。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ASTM D6087（美國）：明確GPR檢測(cè)襯砌厚度的校準(zhǔn)方法與精度要求。

  • EN 13187（歐洲）：規(guī)定空洞檢測(cè)的信號(hào)判據(jù)與驗(yàn)證方法。

• 對(duì)比分析：中國標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重厚度與鋼架間距的允許偏差，歐美標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)調(diào)介質(zhì)介電常數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定與統(tǒng)計(jì)評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)普遍要求采用多頻天線（100MHz–2GHz）組合以提高分辨率與探測(cè)深度。

檢測(cè)方法

1. 測(cè)線布置：

   • 縱向測(cè)線沿隧道軸向布置，環(huán)向測(cè)線按斷面分段檢測(cè)。

   • 關(guān)鍵區(qū)域（如施工縫、滲水區(qū)）增加網(wǎng)格狀測(cè)線。

2. 數(shù)據(jù)采集：

   • 天線頻率選擇：500MHz–800MHz用于厚度與鋼筋檢測(cè)，100MHz–400MHz用于深部空洞探測(cè)。

   • 采樣間隔≤5cm，觸發(fā)模式采用測(cè)量輪或?qū)崟r(shí)定位同步。

   • 標(biāo)定要求：在已知厚度區(qū)域進(jìn)行波速標(biāo)定，誤差控制≤5%。

3. 操作要點(diǎn)：

   • 天線與襯砌表面耦合良好，避免懸空或抖動(dòng)。

   • 記錄環(huán)境干擾（如滲水、金屬雜物）以輔助數(shù)據(jù)分析。

   • 每檢測(cè)段需包含參考反射體（如金屬板）進(jìn)行系統(tǒng)校驗(yàn)。

檢測(cè)儀器

• 主機(jī)系統(tǒng)：多通道雷達(dá)控制單元，支持實(shí)時(shí)信號(hào)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

• 天線類型：

  • 屏蔽天線：抗電磁干擾，適用于運(yùn)營隧道。

  • 非屏蔽天線：用于無干擾環(huán)境，分辨率更高。

• 技術(shù)參數(shù)：

  • 動(dòng)態(tài)范圍≥150dB，確保弱信號(hào)捕獲。

  • 采樣率≥100kHz，支持高速連續(xù)采集。

  • 集成定位模塊（如DGPS或編碼器），實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)精確定位。

• 輔助設(shè)備：耦合劑、校準(zhǔn)塊、距離測(cè)量輪。

結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)處理：

   • 濾波去噪：采用帶通濾波與背景去除算法抑制雜波。

   • 增益調(diào)整：時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償電磁波衰減。

   • 偏移歸位：Kirchhoff遷移算法重構(gòu)界面真實(shí)形態(tài)。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 厚度合格性：實(shí)測(cè)厚度≥設(shè)計(jì)厚度95%，且離散系數(shù)＜0.15。

   • 回填密實(shí)度：

     • 密實(shí)區(qū)：反射信號(hào)振幅＜入射波振幅10%。

     • 空洞區(qū)：反射振幅＞入射波振幅50%且極性反轉(zhuǎn)。

   • 鋼架分布：間距設(shè)計(jì)值±10cm，連續(xù)缺失視為缺陷。

3. 缺陷分類：

   • Ⅰ類缺陷（嚴(yán)重）：厚度不足設(shè)計(jì)值90%，或空洞直徑＞50cm。

   • Ⅱ類缺陷（中等）：局部疏松或鋼架間距超差。

   • Ⅲ類缺陷（輕微）：孤立信號(hào)異常需復(fù)測(cè)驗(yàn)證。

4. 報(bào)告輸出：

   • 生成雷達(dá)圖譜、厚度曲線與缺陷分布圖。

   • 統(tǒng)計(jì)缺陷面積占比，提出注漿加固或修復(fù)建議。