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實驗內容與分析

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本研究主要利用以透地雷達非破壞檢測技術對隧道襯砌混凝土內裂縫及孔隙現 象進行完整性判讀。實驗主要分為三大部分,第一部份:隧道襯砌厚度與設計厚度 之比較。第二部分:裂縫深度判定。第三部分:孔隙位置判定。

4-2 實驗儀器

本研究所使用之透地雷達,為瑞典 MALA 製造 GeoScience 公司所生產之 RAMAC/GPR 系統,圖 4-1,其探頭型式為頻率 1GHz 之遮罩式天線探頭,且其內 部天線的型式為指向性天線,即訊號輻射集中在某個角度方向,並將發射與接收端 天線固定於探頭中,如此可減少外在環境所引起之訊號干擾,如圖 4-1 所示。透地 雷達儀器系統主要由五個部份組成,分別為主機、天線、電池、測距輪及個人筆記 型電腦。另外,在進行實驗時,需搭配透地雷達軟體進行施測,本實驗採用 RAMAC Ground Vision GPR Measurement Software Version 1.3.6 之透地雷達軟體進行施測。

圖4-1 透地雷達系統

4-3 實驗對象

本研究係為探討應用GPR 檢測隧道襯砌混凝土厚度比較、裂縫深度及孔隙位置 之判斷研究,為符合實際研究需要,本研究將以臺灣鐵路管理局舊北迴線隧道做為 實驗對象,其隧道資料如下:

1. 隧道位置:宜蘭縣南澳鄉東澳村,如圖 4-2 2. 隧道名稱:東澳隧道,如圖 4-3,4-4 3. 完工日期:民國 66 年

4. 隧道長度:167 公尺

5. 岩盤特性:綠色大南澳片岩 6. 設計斷面:馬蹄形單線鐵路隧道 7. 襯砌厚度:25 公分

圖4-2 隧道位置圖

圖4-3 隧道北洞口

圖4-4 隧道南洞口

4-4 實驗設計與步驟

4-4-1 資料收集、選定檢測位置

本研究隧道全長167 公尺,於民國 66 年完工,當年係以傳統工法-底設導坑工 法建築隧道,經查閱新建時施工資料發現,該隧道新建時山側遭遇強大側壓作用,

如圖 4-5,因此隧道中段變更混凝土襯砌厚度及加設鋼筋,經查閱變更設計圖知其 混凝土襯砌厚度為60 公分,雙排鋼筋綁紮,如圖 4-6,但是隧道加強段及南、北洞 口間仍然依據設計圖施工,其設計襯砌混凝土為25 公分,且為無鋼筋段,如圖 4-7。

經現場實施勘查後發現,該隧道北口附近海側有一裂縫形成,如圖 4-9,其位 置形狀符合本研究檢測需求,因此將以該裂縫作為本研究對象。

圖4-5 東澳隧道平面圖

裂縫位置

圖4-6 隧道加強段設計圖

圖4-7 隧道設計圖

往宜蘭

裂縫位置

往花蓮

圖4-8 隧道北口裂縫位置

4-4-2 透地雷達探頭選定及儀器參數設定

本研究係以瑞典 MALA 製造 GeoScience 公司所生產之 RAMAC/GPR 系統施 作,因為一般較高的天線頻率會有較淺的探測深度與較高的解析度,而頻率較低的 天線頻率會有較深探測深度及較低的解析度。其深度對應天線頻率的建議值如表4.1 所示。本隧道襯砌混凝土厚度由該隧道設計圖中得知為25 公分,因此本實驗使用頻 率1GHz 之探頭進行檢測(深度 0.5~4m),其探測深度較符合實際需求。

表4-1 RAMAC/GPR 系統天線頻率之選擇建議表 天線頻率

(MHz)

可檢測待測物尺寸

(m)

可檢測深度範圍

(m)

大約的最大貫穿深度

(m)

25 ≧1.0 5~30 35~60

50 ≧0.5 5~20 20~30

100 0.1~1.0 2~15 15~25

200 0.05~0.5 1~10 5~15

500 ~0.05 1~5 3~10

1000 <0.05 0.05~2 0.5~4

透地雷達施測時,需設定以下幾種參數設定進行掃描,大致包含天線頻率設定、

天線測距輪設定、取樣間距、疊加次數、取樣頻率及時間視窗設定等。

(1)天線頻率(Antenna Frequency)

在施測之過程中,須依照現場施測之需要來選擇天線頻率,其深度對應天線各 頻率之參數設定建議值如表4.2【28】。

表4-2 RAMAC/GPR 系統參數設定建議表 天線頻率

(MHz)

取樣頻率

(MHz)

時間視窗

(ns)

取樣間距

(m)

25 150~600 3400~850 0.30~0.75 50 400~800 1280~640 0.20~0.50 100 800~1800 640~280 0.10~0.30 200 1600~3500 320~150 0.03~0.10 500 4000~7000 130~75 0.02~0.05 1000 25000~110000 5~20 0.01~0.05

(2)取樣間距(Interval)

取樣間距即雷達波形軌跡(Trace)之間的實際長度,也就是雷達剖面圖橫向之 解析度,間距之大小範圍從 2mm 至 99.99cm 之間,一般當檢測物之寬度較小時,

選擇較小的取樣間距較佳,當檢測物之寬度較大時,選擇較大的取樣間距較佳。。

(3)疊加次數(Number of Stacks)

疊加次數為發射天線再同一測點發射訊號的次數,及天線在接收同一測點訊號 的次數,利用同一測點重覆接收的振幅資料加以疊加,再將其平均,如此的處理可 得到較穩定的訊號,且消除不必要的雜訊。

本研究不考慮透地雷達施作時控制主機運作及拖曳速度,疊加次數以全部為本 研究基準。

(4)取樣頻率(Sampling Frequency)

此參數定義為一秒之中,接收端天線擷取激發端天線所激發出之訊號點數,如 取樣頻率設定較高,則可提高剖面圖的解析度,相對的也會降低探測深度;反之,

取樣頻率設定較低則有相反的結果。一般建議取樣頻率不要小於6 倍天線頻率,通 常設定為天線頻率的6~15 倍的天線中心頻率,如此可得到較完整的圖形。

本實驗透地雷達所使用參數如表4.2,在透地雷達剖面圖中,橫軸為拖行距離,

主要與取樣間距有關,單位為cm,縱軸是雷達入射波至反射波來回的時間,與取樣 點數有關,單位為ns(10-9s)。

表4-3 透地雷達參數設定

參數項目 參數設定值

天線頻率(Hz) 1GHz

取樣頻率(Hz) 26168MHz

取樣點數 512

時間視窗(ns) 20ns

疊代次數 Auto

取樣間距(m) 0.005

4-4-3 透地雷達施測過程

本研究選定臺灣鐵路管理局北迴線舊東澳隧道為檢測對象,施測前先行就隧道 全線進行目視勘查,最後選定隧道北口附近乙處俱有襯砌混凝土裂縫處為本研究之 檢測區。施測位置確認後,先以30 公分間距繪製水平方向標線,如圖 4-9,同樣以 30 公分間距繪製垂直方向標線,如圖 4-10,水平測線依序由下往上分別編號為 A1~A6,垂直標線依序由右往左分別編號為 B1~B6,如圖 4-11。

當水平標線及垂直標線繪製完成後,以透地雷達先就水平方向沿A1~A6 標線自 右往左掃瞄,如圖4-12,再以透地雷達就垂直方向沿 B1~B6 標線由下往上進行掃 瞄,如圖4-13。

本研究係以透地雷達對結構物進行非破壞性檢測,應該保持結構物完整性,但 是隧道工程新建作業往往要求淨空是否足夠,襯砌混凝土厚度僅要求最少需達到設 計厚度,但是施工中為考慮岩盤擠壓等其他因素,施工者往往開挖較大淨空,因此 造成超襯現象(實際厚度大於設計厚度),因此本研究為了解實地襯砌厚度與檢測結 果是否吻合,因此同時進行鑽心取樣,如圖4-14。

圖4-9 檢測位置測線放樣

圖4-10 檢測位置測線放樣

A5 A6

B2 B3

B4 B5

B6 B1

A2 A3 A4

A1 往花蓮

裂縫位置

往宜蘭

圖4-11 檢測位置標線完成圖

施測方向

圖 4-12 透地雷達 A 測線施測作業

施測方向

圖4-13 透地雷達施測作業

圖4-14 現場鑽心作業

4-4 實驗分析

根據本次以透地雷達檢測舊東澳隧道裂縫位置所得資料,本研究將分析項目有 透地雷達剖面圖、訊號資料處理、訊號反射圖及等色階振幅圖等,其詳細說明如下:

4-4-1 透地雷達剖面圖

透地雷達進行檢測作業時,透地雷達會發射電磁波及接收電磁波,其中電磁波 會因遭遇不同介質A、B 而反射不同強度電磁波,因此要進行透地雷達資料解讀,

就必需先了解透地雷達剖面圖及反射波譜,如圖4-15 中當透地雷達發射電磁波由空 氣中傳導接觸到介質A 時,中會得到最大反射波訊號,當電磁波繼續由介質 A 進行 接觸到介質B 時則會得到另一反射波訊號。

圖4-15 透地雷達剖面圖及波譜圖

4-4-2 訊號資料處理

將透地雷達反射波以1GHz 進行檢測所雷達剖面圖,透過訊號處理方式輸出,

分別計算各條測線波速大小並求得平均波速,並藉由波速與雙程走時之關係,即可 求得待測目標物或介層之深度位置,如圖4-16。

A、 B介 質 反 射 訊 號

最 大 反 射 訊 號 方向

介質B 介質A

圖4-16 訊號資料處理

4-4-3 訊號反射圖

由處理過之乙處訊號資料中,可繪製該處訊號反射圖,再由圖中取得表面位置 及岩盤位置振幅值後,經由計算可求得該處混凝土厚度,如圖4-17。

另外測線A1~A6 及 B1~B6 之訊號資料整理後,由各測線中取得其單點表面位 置及岩盤位置之振幅值,再經計算後求得各測線平均厚度,作為本研究襯砌混凝土 厚度判斷之用。

圖4-17 測線訊號反射圖

-10000 -5000 0 5000 10000 15000

0 50 100 150 200 250 300

岩盤位置 表面位置

雙程走時

4-4-4 等色階振幅圖

當透地雷達對受測物發測電磁波時,由於受測物內介質不同因此介電常數會有 明顯不同的差別(詳表3-1),因此電磁波會產生時間域之變化,藉由振幅大小關係,

將兩介質交接處之振幅處皆標定為同一色階,最後可顯示(時域)等色階振幅圖;

但是以孔洞為例,由透地雷達剖面上可發現其位置點常以倒V 反射表現出來,但在 波譜圖上其位置卻有相位反轉(極性反轉)現象。本研究將利用此一現象將其反轉 位置之處標定為同一色階,顯示該測線之(時域)等色階振幅圖。

本研究以純混凝土試體作上述方法作一說明:

當以透地雷達對純混凝土樑試體發射電磁波時,可得到透地雷達剖面圖及波譜 圖,再將混凝土樑底振幅位置處標定為紅色並繪製為等色階振幅圖,如圖4-18。

再同樣以透地雷達對純混凝土樑試體發射電磁波,但在試體內部預先設置空隙 位置(2 公分),因此可得到另一透地雷達剖面圖及波譜圖,再將混凝土樑底振幅位 置處標定為紅色繪製為等色階振幅圖如圖4-19。

由於已知混凝土樑高度為15 公分,因此由圖 4-18 中透地雷達剖面圖及波譜圖 中可明顯確定混凝土樑位置,由波譜圖中表面振幅位置亦可將混凝土樑位置界定,

當透地雷達對受測物發測電磁波時,由於受測物內隧道襯砌混凝土與岩盤的介電常 數有明顯不同的差別(詳表3-1),因此電磁波會產生時間域之變化,藉由振幅大小 關係,將混凝土底部位置與岩盤表面位置之相同層次之振幅處皆標定為同一顏色,

最後可顯示(時域)等色階振幅圖,由圖中可判斷隧道襯砌混凝土底部與岩盤表面 是否有介層存在。

混凝土 表面

混凝土 底面

等色階振幅圖 透地雷達波譜圖

透地雷達剖面圖

圖4-18 純混凝土剖面圖、波譜圖及色階振幅圖

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