地質雷達在隧道中的檢測應用

何家范

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院)

隧道是指在既有的建筑或土石結構中挖出來的通道，供交通立體化、穿山越嶺、地下通道、越江、過海、管道運輸、電纜地下化、水利工程等使用。隧道修建工程是隱蔽性的工程，對于施工質量的要求和安全的條件要求都和普通的工程不同。如果仍然使用傳統(tǒng)的手段對隧道的施工質量進行檢測，很難夠做出準確判斷，從而導致隧道在修建完成之后非常容易存在很多的質量問題例如襯砌厚度不足、背后脫空等，這些質量問題嚴重威脅了隧道在此后的安全使用。

地質雷達的探測是利用超高頻電磁波，這就使得其探測能力優(yōu)于管線探測儀等電磁波探測類儀器，所以地質雷達常用于基礎深度確定、冰川、地下水污染、礦產勘探、潛水面、溶洞、地下管纜探測、分層、地下埋設物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結構、水泥結構、無損探傷等檢測。

1 地質雷達的工作原理

地質雷達Ground Penetrating Radar(GPR)是探測地下物體技術的簡稱。其基本原理是:發(fā)射機通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為12.5～1200 M、脈沖寬度為0.1ns的脈沖電磁波信號。當這一信號在巖層中遇到探測目標時，會產生一個反射信號。直達信號和反射信號通過接收天線輸入到接收機，放大后由示波器顯示出來。根據示波器有無反射信號，可以判斷有無被測目標;根據反射信號到達滯后時間及目標物體平均反射波速，可以大致計算出探測目標的距離。其原理圖如圖1所示。

圖1 地質雷達的工作原理圖

由上圖得出公式

2 地質雷達法對隧道無損檢測的具體操作

地質雷達法在隧道檢測中廣泛應用于初期支護及二次襯砌厚度檢測、初期支護背部空洞及二襯與初襯脫空缺陷檢測、襯砌內部鋼架及鋼筋分布檢測。根據隧道的設計結構特點，在使用地質雷達法對隧道襯砌進行檢測時以縱向布線為主，橫向布線為輔。縱向布線常在拱頂、左右拱腰及左右邊墻各布置1條，對于三車道的隧道則應該在隧道拱頂部位增加兩條測線，以保障測線的密度。檢測時，需確定缺陷規(guī)模和范圍時應加密測線或測點。雷達天線的選擇主要依據探測深度和探測的目的來進行選擇。隧道襯砌的檢測多使用500 MHz和800 MHz的天線。

3 地質雷達在隧道檢測中的信號處理

3.1 介電常數的確定

在使用地質雷達檢測前，應對襯砌混凝土的介電常熟或電磁波速做現(xiàn)場標定。標定方法為在已知厚度部位或材料與隧道相同的其他預制件上測量;在洞口或洞內避車洞處使用雙天線直達波法測量，也可以在現(xiàn)場鉆孔進行實際測量。電磁波速在實際測量中很多時候是采用明洞進行標定。標定公式如下

式中:εr為相對介電常數;v為電磁波速;t為雙程旅行時間;d為標定目標體厚度。

3.2 數據處理

數據處理分為兩步，第一步是進行預處理，首先進行減弱干擾波，消除掉剖面上的多次波以及在信息波段的各種背景干擾波，使有效層位的信息突出，從而增加里程和深度信息準確率。這主要流程是:切除檢測時的廢棄記錄——對波形進行零點矯正——將里程歸一化處理——均衡道間的能量——對信息波段進行增益處理——過濾掉干擾波——除去各種背景干擾波。第二步是在第一步的基礎上通過對波形的分析處理來對波形的異常波段和層位信息進行劃分及解釋，并找出對隧道的補救解決辦法。

3.3 在檢測中的典型波組的識別

觀察圖2，可以看見此時紅線標注處，鋼架幾乎把電磁波的能量全部反彈回去，此時的反射系數接近為1。在上圖中，鋼架形成了半張開傘狀的清晰反射弧，非常明顯地體現(xiàn)了反射同相軸的三振相特征。

圖2 鋼架檢測圖

鋼筋反射類型和鋼架的反射類型類似，相似主要是因為金屬導體對電磁波的反射非常強烈，形狀均為弧形，不同的是鋼筋網的反射類型就是多個鋼架反射弧相互連接，即連續(xù)的雙曲線，同時還有二次反射，而鋼架反射弧是分散的，具體情況如圖3。

圖3 襯砌內鋼筋檢測圖

襯砌和圍巖之間存在著一片脫空區(qū)，脫空區(qū)充滿了空氣，從而使得此刻的反射弧和上面的周圍都是混凝土時的反射弧形狀、分布都有著極大的差別。它的反射波正反相互間隔，對電磁波的反射能力也非常強，脫空區(qū)保持蜿蜒如蛇的形狀，所處部位也清晰可見。具體情況如圖4:

圖4 地質雷達檢測復合襯砌分層圖例

4 地質雷達檢測隧道時的注意事項

隧道的支護表面在修建時粗糙度過大而引起的檢測數據里關于里程的記錄上存在著誤差以及最后對檢測數據進行分析后得出的結果的錯誤;隧道中安裝的用電的或者是含有金屬的基礎設施對雷達波會產生極大的干擾，嚴重影響了數據處理的第二過程中的對異常信號做出相應的解釋。為了減小背景干擾波對檢測的影響，要求在現(xiàn)場檢測時必須讓天線與襯砌表面精密貼合，保證雷達波均勻移動，對于隧道表面粗糙度大的段落可以用時間觸發(fā)來探測其狀況;現(xiàn)場必須隨時記錄所看見或了解到的可能對雷達波產生干擾的物品并查明其具體位置。另外，所取的預制件的介電常數和用雷達檢測隧道的各部位的精度密切相連，所取的介電常數必須現(xiàn)場測量標定不可使用查表來進行選取額。

圖5 二次襯砌內三角形脫空圖

5 小結

地質雷達可以快速準確的檢測出隧道中存在的各種問題，尤其是對于各種襯砌檢測中經常發(fā)生的問題有極其顯著的效果，提供了客觀可靠的隧道檢測數據，為隧道的安全狀態(tài)提供了有力的證明。然而在現(xiàn)實生活中，僅僅依靠檢測數據仍然不是十分可靠，還需要對隧道的施工工藝有一個清晰明了的認識，并將雷達檢測的相關資料相結合來做出最優(yōu)的判斷。

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