地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的空洞圖像分析

張海紅（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的空洞圖像分析

張海紅
（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是隨著高頻電磁波和信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。本文以地質(zhì)探測(cè)空洞為基本原理，對(duì)隧道檢測(cè)中的空洞圖像進(jìn)行了具體分析，以便更好的了解隧道初次支護(hù)和二次襯砌中存在空洞的情況，分析對(duì)其安全及運(yùn)營(yíng)的影響，為隧道施工質(zhì)量檢測(cè)和維護(hù)提供指導(dǎo)。

地質(zhì)雷達(dá) 隧道檢測(cè) 空洞 圖像

隨著我國(guó)公路、公路網(wǎng)發(fā)展快速發(fā)展，隧道建設(shè)將越來(lái)越多。隧道初次支護(hù)和二次襯砌中存在空洞將對(duì)隧道的建設(shè)的安全及運(yùn)營(yíng)的安全嚴(yán)重的影響，因此，空洞的探測(cè)是隧道建設(shè)質(zhì)量檢測(cè)和隧道維護(hù)檢測(cè)中重點(diǎn)探測(cè)的病害之一。在二次襯砌中，模板與模板交界處，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)直角三角形空洞，在初次支護(hù)或二次襯砌中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)近似圓形或矩形空洞及類似幾種形狀的組合形式空洞。為了更好的對(duì)各種形狀的空洞進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋。本文通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)選取了比較有代表性的形狀即直角三角形、矩形和圓形進(jìn)行研究?？偨Y(jié)了各種形狀的空洞地質(zhì)雷達(dá)圖譜特征，為隧道施工質(zhì)量檢測(cè)和維護(hù)檢測(cè)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)空洞原理

地質(zhì)雷達(dá)工作原理是使用頻率為nMHz～nGHz 的電磁波， 通過(guò)發(fā)射天線向介質(zhì)發(fā)射寬頻帶短脈沖電磁波，電磁波在介質(zhì)中沿特定的方向傳播，當(dāng)遇到介電常數(shù)不同的分界面時(shí)或目標(biāo)物發(fā)生反射，由介質(zhì)表面的接收天線接收，根據(jù)接收到雷達(dá)波的波形，振幅強(qiáng)度和時(shí)間變化特征推測(cè)界面和目的物。根據(jù)電磁學(xué)理論，當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)傳播時(shí)，遇到不同電介質(zhì)的分界面時(shí)，由于上下界面的電磁性差異，將發(fā)生反射和折射。兩側(cè)介電常數(shù)的差異決定了反射系數(shù)大?。挥忠?yàn)槔走_(dá)反射波的振幅大小與反射系數(shù)成正比，因而，當(dāng)相鄰介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差異越大，反射系數(shù)就越大，反射振幅也就越大，反射界面也就越容易識(shí)別；當(dāng)相鄰介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差異越小，反射系數(shù)越小，反射振幅也就越小，反射界面越不容易識(shí)別，介質(zhì)的界面和目標(biāo)物也就越不容易找到。

2 探測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 工程概況

西狹隧道為左右行分離式的雙洞特長(zhǎng)隧道，位于十堰至天水高速公路甘肅段，天水端洞口段為小凈距。隧道右線起訖樁號(hào)為YK599+71 5～YK603+005，長(zhǎng)32 90m；左線起訖樁號(hào)為ZK599+715～ZK603+017，長(zhǎng)3302m。

2.2 實(shí)驗(yàn)概述

物理模型：利用硬紙板制作成直角三角柱和長(zhǎng)方體，由于硬紙板不容易制作成圓柱體，利用兩端用硬質(zhì)板堵住PVC管制成圓柱體。將圓柱體、直角三角柱和長(zhǎng)方體依次埋置于砂槽中心。模型的埋置為：模型頂面埋深為5cm，沿砂槽縱向二維剖面得到的形狀分別為圓形、直角三角形和矩形空洞。圓形空洞的直徑為10cm，直角三角形的直角邊邊長(zhǎng)均為30cm，矩形的的邊長(zhǎng)分別為20cm和30cm。本次探測(cè)使用的地質(zhì)雷達(dá)為加拿大產(chǎn)的Ekko，使用的天線為頻率1GHz。

2.3 探測(cè)結(jié)果

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)依次埋有圓形、直角三角形和正方形的空洞砂槽進(jìn)行探測(cè)，其探測(cè)結(jié)果各圖存在以下共性，各圖形到強(qiáng)反射信號(hào)頂面的時(shí)間相同，反映了各圖形埋置深度相等。在2.2m 左右，存在雙曲線強(qiáng)反射信號(hào)，且存在多次反射，其是砂槽邊緣存在金屬擋板造成的干擾。圖1（a）中，在深度1.3ns，水平距離1m 處存在一條雙曲線強(qiáng)反射信號(hào)；圖1（b） 中，在深度1.3ns，水平距離1m 處存在傾斜線型強(qiáng)反射信號(hào)，且其下存在多次反射強(qiáng)反射信號(hào)，在直線淺部端存在弧形強(qiáng)反射信號(hào)，該反射信號(hào)相對(duì)于直線信號(hào)稍弱；圖1（c）在深度1.3ns，水平距離0.8m 至1.2m處存在水平直線型強(qiáng)反射信號(hào)， 且其下存在多次反射信號(hào)，在其兩側(cè)存在多次弧形散強(qiáng)反射信號(hào)，且其信號(hào)比直線強(qiáng)反射信號(hào)稍弱。

3 地質(zhì)雷達(dá)圖形分析

（1）單點(diǎn)反射波波形圖。地質(zhì)雷達(dá)單點(diǎn)反射波波形圖橫軸代表探測(cè)距離，縱軸代表電磁波相對(duì)振幅。是地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射一次電磁脈沖得到的反射波圖像。從單點(diǎn)反射波波形圖中可以看出反射波的振幅、頻率、相位等信息。

（2）反射波波形堆積圖。地質(zhì)雷達(dá)反射波波形堆積圖橫軸代表測(cè)線長(zhǎng)度，縱軸代表探測(cè)距離。波形堆積圖通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)測(cè)量得到，其實(shí)質(zhì)是多個(gè)單點(diǎn)反射波波形并排組合的圖形。該剖面圖是地質(zhì)雷達(dá)最常見的成果解譯圖件，其直觀地描繪出了沿測(cè)線的斷面反射波變化特征。相比于單點(diǎn)反射波波形圖，波形堆積圖最重要的圖像信息是同相軸形態(tài)。

（3）反射波彩色堆積圖。地質(zhì)雷達(dá)反射波彩色堆積圖橫軸代表測(cè)線長(zhǎng)度，縱軸代表探測(cè)距離。彩色堆積圖同樣通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)測(cè)量獲得，是在波形堆積圖的基礎(chǔ)上以不同顏色表反射波不同的振幅大小，相比于波形堆積圖，彩色堆積圖更直觀、清楚。

（4）反射波頻譜分析圖。雷達(dá)反射波頻譜圖橫坐標(biāo)代表頻率值，縱坐標(biāo)代表反射波能量值。由于介質(zhì)對(duì)雷達(dá)波能量的吸收總是從高頻開始，故頻譜圖顯示了反射波能量損耗狀況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)可知，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)到圓形空洞、直角三角形空洞和矩形空洞的存在。圓形空洞的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征為：存在雙曲線型強(qiáng)反射信號(hào)；直角三角形空洞地質(zhì)雷達(dá)圖像特征為：存在傾斜直線型強(qiáng)反射信號(hào)，且其下存在多次反射，直線淺部端點(diǎn)處存在散射波；矩形空洞的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征為：存在水平直線型強(qiáng)反射信號(hào)，且其下存在多次反射信號(hào)，在直線兩端存在散射強(qiáng)反射信號(hào)。

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