CN105044134A - 隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置及其试验方法，包括由混凝土制成的主体模型，所述主体模型上设有若干卡槽，所述卡槽内部设有与所述卡槽相匹配的用以模拟不同衬砌结构类型或不同地质病害的混凝土模拟部件；所述混凝土模拟部件与所述主体模型组合形成整体模型，使用地质雷达在所述整体模型上方进行探测，获得所述不同衬砌结构在地质雷达中的响应特征。本发明可模拟隧道衬砌混凝土、钢筋网、钢拱架等结构与衬砌不密实与脱空、裂缝、空洞、积水、钢筋分布与设计不符等病害，可全面地模拟实际衬砌质量检测中遇到的各种情况。本发明只需改变卡槽中插入的混凝土模拟部件的种类即可模拟多种不同的情况，具有很好的可重用性。

Description

隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种隧道衬砌质量检测的试验装置，特别涉及一种用于探测隧道衬砌在地质雷达中响应特征的试验装置及其方法。

背景技术

随着我国经济的发展，隧道作为跨越复杂地形，缓解交通压力的重要方式得到了巨大发展。但是隧道施工中不可预见因素较多，容易形成隧道衬砌不密实与脱空、衬砌内裂缝、空洞与回填疏松地段积水、钢筋分布与设计不符等质量问题。为了保证衬砌质量以确保隧道的安全性，隧道衬砌质量检测十分重要。隧道主体部分为隐蔽工程，工程质量检测较为困难。地质雷达作为一种无损探测方法，探测精度高，对分界面反应灵敏，无损高效，是隧道衬砌质量检测中一种理想的方法。

为了保证地质雷达检测隧道衬砌质量的准确性，需要进行大量的试验，以确定隧道衬砌中各种结构与病害在地质雷达中的响应特征。但由于隧道主体工程的隐蔽性，在实际隧道中很难得知所探测隧道的具体质量情况，因而也就无法开展试验。为了研究隧道衬砌结构与病害在地质雷达中的响应特征，制作专门的可重复使用的试验装置势在必行。

现在一些研究机构或专门的检测公司可能进行过相关的试验，但还没有任何的机构或个人提出一套完整的、系统性的、专门用于模拟隧道衬砌质量情况以获得相对应地质雷达响应特征的试验装置，在针对性、全面性及可重用性方面还有着很大的不足。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种结构简单、操作方便、针对性、全面性及可重用性强的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置及其方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，包括由混凝土制成的主体模型，所述主体模型上设有若干卡槽，所述卡槽内部设有与所述卡槽相匹配的用以模拟不同衬砌结构类型或不同地质病害的混凝土模拟部件；所述混凝土模拟部件与所述主体模型组合形成整体模型，使用地质雷达在所述整体模型上方进行探测，获得所述不同衬砌结构在地质雷达中的响应特征。

所述卡槽为矩形卡槽；所述混凝土模拟部件数量多于所述卡槽的数量；所述卡槽间的间距大于5cm。

所述主体模型采用隧道衬砌中使用的混凝土型号，按实际衬砌等比例浇筑而成；所述卡槽由浇筑所述主体模型时，在模具中的相应位置置入矩形工程塑料板所制成。

所述混凝土模拟部件包括设于外部的工程塑料板，和在所述工程塑料板内浇筑形成的混凝土，通过在所述混凝土模拟部件内部设置相应的构件来模拟不同的衬砌结构类型，不同类型的所述混凝土模拟部件的组合方式模拟不同的工程情况。

所述混凝土模拟部件由纯混凝土浇筑而成，外形为纯混凝土柱或纯混凝土板。

所述混凝土模拟部件为柱体，部件内部沿柱体纵向设有用以模拟衬砌中钢筋网的钢筋、或设有用以模拟衬砌中钢拱架的型钢。

所述混凝土模拟部件为柱体，部件内部沿柱体纵向中间布有设定厚度的、且界面起伏的用以模拟隧道衬砌混凝土脱空情况的混凝土脱空段。

所述混凝土模拟部件内部设有用以模拟衬砌中病害的大小不一的空腔。

所述空腔上部连接水平的出水管，下部连接水平的输水管，所述输水管通过水泵与水箱连接；电脑与所述水泵相连，控制注水量，以模拟同一空腔在不同注水量下的不同情况。

隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据所要模拟的隧道衬砌段的质量情况，确定混凝土模拟部件的种类、数量和排布方式；

步骤2：选择相应的混凝土模拟部件，插入主体模型的相应卡槽中，组成整体模型；

步骤3：使用地质雷达对各个混凝土模拟部件与主体模型组合而成的整体模型进行探测，获得所模拟的此种隧道衬砌质量情况在地质雷达中的响应特征。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，该装置实现了简单便捷的模拟隧道衬砌(包括混凝土、钢筋网、钢拱架及各种常见病害)以供地质雷达进行检测试验。该装置与实际衬砌等比例浇筑，且使用的混凝土和钢筋均与实际隧道衬砌中的相同，针对性强，符合实际情况，模拟效果好。

更换卡槽内的混凝土模拟部件种类即可模拟不同工程情况。卡槽间距大于5cm，可以保证主体模型具有足够的强度和稳定性。

所述混凝土模拟部件由外部的矩形工程塑料板和在塑料板中浇筑的混凝土组成。部件插入卡槽时两者间由工程塑料板连接，接触面较为光滑，便于操作，且接触更为紧密。工程塑料的厚度不大，每层3毫米，两层相加仅为6毫米，并且工程塑料对电磁波无干扰，因而工程塑料对地质雷达探测结果影响较小。

混凝土模拟部件内部布有大小形状不一的空腔，可以模拟衬砌中的裂隙、空洞等病害。空腔由浇筑混凝土时置入塑料盒或小木箱形成。

特定空腔可与充排水系统相连，可以模拟积水空洞。

本发明可模拟隧道衬砌混凝土、钢筋网、钢拱架等结构与衬砌不密实与脱空、裂缝、空洞、积水、钢筋分布与设计不符等病害，可全面地模拟实际衬砌质量检测中遇到的各种情况。

本发明只需改变卡槽中插入的混凝土模拟部件的种类即可模拟多种不同的情况，具有很好的可重用性。

附图说明

图1为本发明主体模型主视图；

图2为本发明混凝土部件与卡槽连接处示意图；

图3为本发明纯混凝土柱主视图；

图4为本发明纯混凝土柱主视图左视图；

图5为本发明钢筋混凝土柱主视图；

图6为本发明钢筋混凝土柱左视图；

图7为本发明钢拱架混凝土柱主视图；

图8为本发明钢拱架混凝土柱左视图；

图9为本发明空腔混凝土柱主视图；

图10为本发明空腔混凝土柱左视图；

图11为本发明纯混凝土板主视图；

图12为本发明纯混凝土板左视图；

图13为本发明脱空混凝土板主视图；

图14为本发明脱空混凝土板左视图；

图15为本发明注水排水装置示意图；

图16为本发明示例1整体模型主视图；

图17为本发明示例2整体模型主视图。

图中：1.主体模型，2.钢筋，3.H形型钢，4.空腔，5.pvc管，6.水泵，7.水箱，8.控制电脑，9.主体模型塑料板，10.卡槽，11.混凝土，12.部件塑料板。

具体实施方式

实施例1：

下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应当指出的是，以下所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，包括：预留有多个贯穿模型的矩形卡槽10的主体模型1，与卡槽10大小相对应的矩形混凝土部件(包含模拟钢筋、钢拱架、空腔、裂隙的混凝土柱和模拟脱空的混凝土板)，以及与包含空腔的混凝土部件配套的充排水系统。将混凝土部件插入卡槽10中组成整体模型以供试验，不同的组合方式模拟不同的情况，

主体模型1由隧道衬砌中常用的C30混凝土与实际衬砌等比例浇筑而成。

卡槽10由浇筑主体模型1时在模具中置入矩形主体模型塑料板9形成。

矩形混凝土部件由外部的矩形部件塑料板12和在塑料板中浇筑的混凝土11组成。部件插入卡槽10时两者间由工程塑料板9连接，接触面较为光滑，便于操作，且接触更为紧密。工程塑料的厚度不大，每层3毫米，两层相加仅为6毫米，并且工程塑料对电磁波无干扰，因而工程塑料对地质雷达探测结果影响较小。

矩形混凝土部件包括纯混凝土柱、钢筋混凝土柱、钢拱架混凝土柱、空腔混凝土柱、纯混凝土板和脱空混凝土板。

纯混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，模拟普通衬砌混凝土。

钢筋混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，里面布有一根钢筋2，模拟衬砌中的钢筋网。

钢拱架混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，里面布有一根H形型钢3，模拟衬砌中的钢拱架。

空腔混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，里面布有大小形状不一的空腔4，模拟衬砌中的裂隙、空洞、积水等病害。空腔4由浇筑混凝土时置入塑料盒或小木箱形成。特定空腔4可与充排水系统相连，模拟积水空洞。

纯混凝土板由C30混凝土浇筑而成，模拟正常衬砌混凝土。

脱空混凝土板由C30混凝土浇筑而成，中间布有厚度约为1厘米的，界面有起伏的混凝土脱空段，模拟隧道衬砌混凝土脱空情况。

与空腔混凝土柱相连的充排水系统由pvc管5、水泵6、水箱7、控制电脑8组成。空腔4上部连接水平的出气管，下部连接水平的输水管。输水管与水泵6相连，水泵6与水箱7相连，通过水泵6将水箱7中的水注入空腔4中。控制电脑8与水泵6相连，控制注水量，以模拟同一空腔4在不同注水量下的不同情况。

图1为本发明主体模型主视图。主体模型1由C30混凝土浇筑，在其中预留一些贯穿模型的矩形卡槽10。模型长为4米，宽为1.5米，高为1米，预留了较大空间未设置卡槽10以降低边界效应。正方形卡槽边长为20厘米，分三排布置，从上倒下中心点距顶面距离分别为0.3米、0.5米和0.8米，分别插入相应混凝土部件以模拟钢筋、病害和钢拱架。模型正中间设置一个长方形卡槽，长边0.5米，短边0.1米，模拟大面积脱空。

图2为本发明混凝土部件与卡槽连接处示意图。卡槽10材质为工程塑料板，混凝土部件外部也包裹有一层工程塑料板9，这一点方便了混凝土部件插入与拔出卡槽10，且使得两者间的连接更加紧密。两层工程塑料厚度不大，每层3毫米，两层共6毫米，且其对电磁波无干扰，因而它对地质雷达的探测结果影响较小。

图3与图4为本发明纯混凝土柱主视图及左视图。混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，长1.5米，底面为长20厘米的正方形。

图5与图6为本发明钢筋混凝土柱主视图及左视图。混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，长1.5米，底面为长20厘米的正方形。其中中心配有1.4米长的直径为12的HRB335螺纹钢。

图7与图8为本发明钢拱架混凝土柱主视图及左视图。混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，长1.5米，底面为长20厘米的正方形。其中中心配有长1.4米的H形型钢3。

图9与图10为本发明空腔混凝土柱主视图及左视图。混凝土柱由C30混凝土浇筑而成，长1.5米，底面为长20厘米的正方形。其中中心设置有大小、形状自定的空腔，可用小木箱、塑料盒等模拟。这里设置为边长15cm的方形木箱，下部连接有水平的输水管，上部连接有水平的出气管。

图11与图12为本发明纯混凝土板主视图及左视图。混凝土板由C30混凝土浇筑而成，三边长分别为1.5米、0.5米和0.1米。

图13与图14为本发明脱空混凝土板主视图及左视图。混凝土板由C30混凝土浇筑而成，三边长分别为1.5米、0.5米和0.1米。混凝土板内有一片厚度约为1厘米，界面有起伏的脱空段。脱空段的长宽分别为1.4米和0.4米。

图15为本发明充排水系统示意图。输水管与水泵6相连，水泵6与水箱7相连，通过水泵6将水箱7中的水注入空腔中。控制电脑8与水泵6相连，控制注水量，以模拟同一空腔在不同注水量下的不同情况。

将相应混凝土部件插入主体模型1的卡槽10中即可组成整体模型，之后即可使用地质雷达进行测量。通常将最上方的一排卡槽10插入钢筋混凝土柱模拟钢筋，也可插入纯混凝土柱模拟少筋情况。通常将中间一排卡槽10插入纯混凝土柱以模拟正常无病害情况，也可插入空腔混凝土柱以模拟各种病害。通常将最下排卡槽10插入钢拱架混凝土柱以模拟衬砌中的钢拱架，也可插入纯混凝土柱以模拟钢拱架不足的情况。通常将长方形卡槽10中插入纯混凝土板以模拟正常衬砌情况，也可插入脱空混凝土板以模拟衬砌脱空情况。

图16为本发明示例1的整体模型主视图。注意这仅为一种可能的组合方式，还可以有其他组合方式。这里模拟质量较好的衬砌，上部钢筋2齐全，全部插入钢筋混凝土柱；中部无脱空，在长方形卡槽内插入纯混凝土板；下部钢拱架齐全，在第1、3、5个卡槽内插入钢拱架混凝土柱，第2、4个卡槽内插入纯混凝土柱；仅在中部设置一个小空腔，在中部第二个正方形卡槽内插入空腔混凝土柱，其他卡槽内插入纯混凝土柱。

上部矩形卡槽均匀布置用于模拟隧道衬砌内钢筋的钢筋混凝土柱，下部矩形卡槽均匀布置用于模拟隧道衬砌内钢拱架的钢拱架混凝土柱，中部设置一大型卡槽用于模拟隧道衬砌脱空，分散随机布置一些卡槽用于模拟隧道衬砌内的空腔。为了保证主体模型1具有足够的强度和稳定性，各个卡槽间应至少保留5公分的间隔。

实施例2：

这里图1至图15的内容与实施例1相同，仅更改卡槽内插入的混凝土部件的种类来模拟另一种衬砌质量情况。

图17为本发明示例2的整体模型主视图。注意这仅为一种可能的组合方式，还可以有其他组合方式。这里模拟质量较差的衬砌，上部钢筋2不齐全，第5个卡槽内插入纯混凝土柱，其他5个卡槽内插入钢筋混凝土柱；中部有脱空，长方形卡槽内插入脱空混凝土板；下部钢拱架齐全，在第1、3、5个卡槽内插入钢拱架混凝土柱，第2、4个卡槽内插入纯混凝土柱；中部无空腔，在所有正方形卡槽内插入纯混凝土柱。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：包括由混凝土制成的主体模型，所述主体模型上设有若干卡槽，所述卡槽内部设有与所述卡槽相匹配的用以模拟不同衬砌结构类型或不同地质病害的混凝土模拟部件；所述混凝土模拟部件与所述主体模型组合形成整体模型，使用地质雷达在所述整体模型上方进行探测，获得所述不同衬砌结构在地质雷达中的响应特征。

2.根据权利要求1所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述卡槽为矩形卡槽；所述混凝土模拟部件数量多于所述卡槽的数量；所述卡槽间的间距大于5cm。

3.根据权利要求1所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述主体模型采用隧道衬砌中使用的混凝土型号，按实际衬砌等比例浇筑而成；所述卡槽由浇筑所述主体模型时，在模具中的相应位置置入矩形工程塑料板所制成。

4.根据权利要求3所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述混凝土模拟部件包括设于外部的工程塑料板，和在所述工程塑料板内浇筑形成的混凝土，通过在所述混凝土模拟部件内部设置相应的构件来模拟不同的衬砌结构类型，不同类型的所述混凝土模拟部件的组合方式模拟不同的工程情况。

5.根据权利要求4所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述混凝土模拟部件由纯混凝土浇筑而成，外形为纯混凝土柱或纯混凝土板。

6.根据权利要求4所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述混凝土模拟部件为柱体，部件内部沿柱体纵向设有用以模拟衬砌中钢筋网的钢筋、或设有用以模拟衬砌中钢拱架的型钢。

7.根据权利要求4所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述混凝土模拟部件为柱体，部件内部沿柱体纵向中间布有设定厚度的、且界面起伏的用以模拟隧道衬砌混凝土脱空情况的混凝土脱空段。

8.根据权利要求3所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述混凝土模拟部件内部设有用以模拟衬砌中病害的大小不一的空腔。

9.根据权利要求8所述的隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验装置，其特征在于：所述空腔上部连接水平的出水管，下部连接水平的输水管，所述输水管通过水泵与水箱连接；电脑与所述水泵相连，控制注水量，以模拟同一空腔在不同注水量下的不同情况。

10.隧道衬砌地质雷达响应特征的模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据所要模拟的隧道衬砌段的质量情况，确定混凝土模拟部件的种类、数量和排布方式；

步骤2：选择相应的混凝土模拟部件，插入主体模型的相应卡槽中，组成整体模型；

步骤3：使用地质雷达对各个混凝土模拟部件与主体模型组合而成的整体模型进行探测，获得所模拟的此种隧道衬砌质量情况在地质雷达中的响应特征。