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核心技術名稱:非破壞檢測技術發展與應用

一、關鍵挑戰Challenge

台灣地區近年來由於受極端氣候影響,造成各類大型公共工程如隧道、水庫、橋梁及堤防等結構物除了有本身老劣化問題外,亦飽受周圍岩體的互制影響。因此公共工程結構物設施安全檢查思維亦已逐漸從著重於表面劣化現像研判,進而利用非破壞檢測技術以掌握肉眼看不見區域的異狀分布與危害狀況評估。
 
一般常用的非破壞檢測技術,其波源可分為(1)震波或彈性波,如敲擊回音法、反射震測等;(2)電磁波:如透地雷達、地電阻影像剖面法等。但由於各種檢測方法均有其適用範圍,因此如何視結構物種類(如混凝土結構物及場址地質等)、測深、被測物特性及現地狀況等因素,評估適合的檢測工法、測線分布與施測參數等,以規畫最佳化的檢測策略,為檢測工作成功與否之主要關鍵; 
 

二、非破壞檢測技術 Nondestructive testing technology

2.1 透地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)

2.1.1 檢測原理簡介
透地雷達探測工法係藉由高頻電磁波天線罩(頻率從15MHz至3GHz)向地下或結構體內發射出電磁波束,此電磁波經地層或結構體之傳遞,當遇到不同電性介質之交界面處發生反射而傳回為表面之電磁波天線罩接收,由發射與接收之電磁波信號走時差、波型、振幅等特徵與介質之電磁波速度得以換算目標體之深度,同時由接收之電磁波信號強弱亦得以概估目標體之材質,其現地施測原理如圖1。
 
透地雷達探測深度受到地層衰減效應與雷達波能量不高的影響,一般不超過三十公尺,為本項技術的主要限制之一。雖然探測深度淺,但因透地雷達能產生連續之高頻電磁波,因此能探測出地下或結構體內連續之高解析度剖面。此外本工法不僅檢測速度快,探測深度與精度也多能鍥合工程上淺層探查的需求,因此近年來被廣泛地應用於工程方面,包括道路鋪面厚度、維生管線、結構體背填或基礎狀況、藏埋物(如地下油槽)、地質構造、地下水分布、河床地形(見圖3)及鋼筋混凝土結構物內之鋼筋、空洞及瑕疵(3D透地雷達檢測剖面見圖4)等領域之調查,均具有相當良好的效果,檢測剖面範例如圖2
 
2.1.2 長大測區之健全度分析
以往透地雷達多應用於較小範圍之場址或結構物調查,其探測成果展示,大都由檢測人員判釋異常範圍(如空洞)或電性特性變化之界面(如結構物基礎界面與土層內疏鬆區)後,擷取其水平分布與深度之空間資料(見表1),標示於測線分布平面圖,或異常分布垂直剖面圖(如圖5)。一旦測區寬廣,測線數及檢測資料眾多時,將難以令管理單位明確且快速的掌握測區之健全性資訊。
 
因此本社針對範圍遼闊測區,其檢測成果之資料研判與展示方法進行研發,並針對透地雷達訊號所提供與結構物基礎健全度相關之資訊,例如損傷類別(如空洞及疏鬆區)、損傷面積及反射訊號強度等資料進行統計分析,建立測區之損傷分級展開圖,包括(1)損傷面積分級展開圖;(2) 訊號強度分級展開圖;及(3) 測區健全度分級展開圖(如圖6)等,並將測區內各單位距離下之損傷總和分為10級標示,其值越大代表該區域基礎狀況愈差,以標示檢測區域內各里程之健全度分級資訊。
 
表1 透地雷達損傷空間資料
表1 透地雷達損傷空間資料
 
 

圖1 透地雷達施測原理示意圖

圖1 透地雷達施測原理示意圖 

圖2 透地雷達檢測剖面範例

圖2 透地雷達檢測剖面範例 

 圖3透地雷達河床檢測等高線圖

圖3 透地雷達河床檢測等高線圖

 圖3透地雷達河床檢測等高線圖

圖4 3D透地雷達施測剖面圖

 
 
圖5透地雷達異常分布垂直剖面圖 
圖5 透地雷達異常分布垂直剖面圖
 
 
圖6 測區健全度分級展開圖

圖6 測區健全度分級展開圖 
 

2.2 地電阻影像剖面法(Resistivity Image Profiling(RIP))

地電阻影像剖面法係將電流導入地層並於固定展距量測其電位變化,以推估地層某一深度的視電阻值,透過電流與電位極的移動,達到施測目的。現地檢測時需視測勘目標、測深與地質狀況來決定合適的電極排列方式,一般常用的電極排列方式有(1)施蘭卜吉排列(Schlumberger Array)、(2)溫奈排列(Wenner Array)、(3)雙極排列(pole-pole array,見圖7)與(4)雙偶極排列(dipole-dipole array)等。一般而言,施蘭卜吉排列與溫奈排列較常應用於地層平緩區域做垂直測勘,雙偶極排列法與雙極排列法則較常應用於剖面測勘。應用在地層探測時,垂直測深因受限於測點分佈,對於側向的解析能力稍嫌不足;而純粹的剖面探測方式,對於垂直方向的解析能力則較弱,地電阻影像剖面法便是兼具垂直與側向解析能力的一種探測方式。

地電阻影像剖面法其現場施測配置與反射震測法類似,係沿著一個既定的測線配置多波道之電極,收集涵蓋側向及垂直方向之信號,以有效測量剖面上各深度點之電性分布。地電阻影像剖面法(見圖8)除能達到如垂直測深的目的之外,由於沿測線方向的測點較密,因此更易於反應出地層側向的變化情形,利用橫向及縱向大量重疊信號,有效提高剖面之解析能力。

圖7 pole-pole array施測示意圖
圖7 pole-pole array施測示意圖


圖8 RIP施測地電阻影像剖面

圖8 RIP施測地電阻影像剖面

2.3  敲擊回音法(IImpact Echo Method)

本探查方法是以應力波傳原理為基礎,以小直徑的鋼珠作為敲擊源導入應力波,在表面敲擊後主要將產生三種形式的應力波,其中應力波P波及S波向物體內部傳動,而另外一種表面R波主要是沿著混凝土表面傳動。這三種類型的應力波以P波波速最快,S波次之。由於P波波速較快,所以P波之波前(Wavefront)先遇到裂縫之尖端,而S波則跟隨在後,入射P波在裂縫尖端處將產生繞射波,如同在裂縫尖端處形成另一個波源,以球狀波形方式向四面八方傳動出去;當繞射波傳回至敲擊表面時將會產生擾動,為能記錄應力波從敲擊源出發,經由裂縫尖端繞射再抵達裂縫另一側表面的歷時,故在裂縫另一側配置一個接收器,可接收來自裂縫尖端之繞射波,進而分析此繞射波走時以換算求得裂縫深度(如圖9)。


本檢測所使用之檢測儀器,係使用中興工程顧問社研製之檢測儀SINO-NDT-IE(見照片1),為國內唯一全部零件自製化之敲擊回音法檢測儀器。

 

圖9 敲擊回音法裂縫深度檢測示意圖

圖9 敲擊回音法裂縫深度檢測示意圖

照片1 SINO-NDT-IE檢測儀

照片1 SINO-NDT-IE檢測儀

 

三、應用案例 Applied Case

  1. 「臺鐵南迴鐵路臺東潮州段電氣化工程建設計畫」南迴線土建及一般機電工程設計暨配合工作技術服務
  2. 萬大#3機組發電取水設施改善及引水隧道修復
  3. 新山水庫大壩安全改善
  4. 和平電廠頭水隧道襯砌透地雷達施測
  5. 新生大排滲流對地盤影響調查及改善方案評估
  6. 朴子溪堤防安全性評估分析研究計畫
  7. 翡翠水庫、石門水庫、萬大水庫及鯉魚潭水庫等數十座水庫定期安全 評估檢測工作
  8. 員山子分洪第一次建造物檢查及安全評估_混凝土非破壞檢測
  9. 石岡壩921震災後結構物損傷調查第I、II期
  10. 桃園機場貨機跑滑道基礎空洞探查
  11. 士林計劃頭水隧道HSP調查
  12. 青潭堰堰體補強透地雷達密測

四、與其他核心技術關連性

隧道維護管理工作除了掌握襯砌表面呈現之異狀分布外,亦需瞭解襯砌內部及圍岩狀況,以整體化分析其受外力及損害狀況,相關介紹請參考隧道維護管理技術

五、重要發表文獻

  1. 李國榮(2012),「透地雷達檢測長距離測區之健全度分析」,第十六屆非破壞檢測技術研討會。
  2. 李國榮(2011),「利用虛擬實境技術於檢測資料三維展示之研究」,2011電子計算機於土木水利工程應用研討會。
  3. 李國榮、柳景仲、李昇彥(2011),「利用透地雷達於河堤安檢之健全度分析」,第14屆大地工程學術研討會。
  4. 李國榮、葛文忠(2010),「非破壞檢測技術於水庫安檢工作之應用」,第十五屆非破壞檢測技術研討會。
  5. 葛文忠、李國榮、俞旗文(1994),「透地雷達探勘技術之工程應用」,中興工程季刊第43期,pp.114-125。
  6. 葛文忠、李國榮、俞旗文(1994),「透地雷達應用於淺層地質構造之研究」,1994岩盤工程研討會。
  7. 葛文忠、李國榮、俞旗文(1994),「應用透地雷達於台北市捷運系統地下管線調查」,中國地球物理學會八十三年學術研討會。