探討隧道檢測中的地質雷達應用

宋存軍（中鐵十一局集團有限公司勘察設計院，湖北武漢430074）

探討隧道檢測中的地質雷達應用

宋存軍（中鐵十一局集團有限公司勘察設計院，湖北武漢430074）

利用地質雷達進行無損檢測是地球物理探測技術中的一種方法，并在隧道質量的檢測中受到廣泛重視。本文通過對地質雷達的工作原理進行介紹，并對地質雷達的測試方法進行了研究，結合實例工程實例講述了地質雷達利用高頻電磁脈沖波探測目標介質的介電常數，可以快速準確地掌握襯砌結構的厚度，襯砌結構背后空洞、鋼拱架間距等情況。

地質雷達；鐵路隧道；襯砌質量；圖像解譯

引言

地質雷達法已成為工程質量檢測的主要手段，主要檢測混凝土結構、圍巖體內部的缺陷等。隧道做為高鐵工程重要的構成部件，其在施工過程中由于地質條件復雜等因素，常常存在混凝土襯砌厚度不合格、內部布筋不規范、背后脫空、不密實等缺陷。

1 地質雷達工作原理

1.1 理論基礎

探地雷達作為工程物探檢測的一項新技術，具有連續、無損、高效和高精度等優點，由一體化主機、天線及配套軟件等部分組成，根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，探地雷達以寬頻帶短脈沖的形式向介質內發射高頻電磁波 （幾MHz～幾GHz），當其遇到不均勻體（界面）時會反射部分電磁波，其反射系數由介質的相對介電常數決定，通過對雷達主機所接收的反射信號進行處理和圖像解譯，達到識別隱蔽目標物的目的（見圖1）。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

（1）雷達可測量信號到達目標的傳輸時間，利用傳播速率計算出目標的距離；

（2）當滿足下面條件時，隱蔽物可由雷達探出：在天線信號范圍之內；信噪比適當。

1.2 電磁波在介質中的反射特性

電磁波在特定介質中的傳播速度V是不變的，因此根據探地雷達記錄上的地面反射波與反射波的時間差ΔT，即可據下式算出異常的埋藏深度H：

H即為目標層厚度；

V是電磁波在地下介質中的傳播速度，其大小由下式表示：

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；ε為相對介電常數，取決于地下各層構成物質的介電常數。

雷達波反射信號的振幅與反射系數成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數r可表示為：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質的相對介電常數。

由上式可知，相鄰介質的介電常數差異越大，則反射信號超強烈。反射信號的強度主要取決于上、下層介質的電性差異，電性差異越大，反射信號越強。

雷達波的穿透深度主要取決于地下介質的電性和中心頻率。導電率越高，穿透深度越??；中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。雷達信號在不同介電常數介質發生反射的波形如圖2。

圖2 信號在不同介質層面的波形圖

式中，ω為電磁波的角頻率；σ為金屬的電導率。從上式可以看出，由于金屬的電導率σ趨于無窮大，即當電磁波傳播至鋼筋、鋼架時，電磁波將發生全反射。

1.3 雷達采樣定理

（1）采樣準則：電磁場作為一個隨空間和時間變化的函數，需要經過采樣和記錄才能為后續處理所用。GPR的測量掃描則必須遵守基本的采樣準則。對于頻率為f的簡諧波進行時間和空間采樣，時間采樣Δt和空間采樣Δx需要滿足奈奎斯特采樣準則：

（2）對于相對帶寬為1[帶寬=中頻頻率]的GPR沖擊脈沖信號，理想情況下以上準則轉換為：

為擴展其使用性一般取理想值的一般，如下：

2 地質雷達探測技術要點

地質雷達是從地面向地下發射高頻電磁脈沖波探測目的體及地質現象的，由于地下介質比空氣具有強得多的電磁波衰減特性，加之地下介質情況的多樣性，電磁波在土中的傳播特性比在空氣中要復雜得多，地質雷達所接收到的信號十分復雜，脈沖在通過地下介質的過程中，波形和波幅將發生較大的變化，而脈沖余振、系統內部干擾、地表不光滑或地下介質不均勻等引起的散射及剖面旁側的繞射等干擾，均使得實時記錄圖像多變和不易分辨。需要通過壓制噪聲、增益補償、帶通濾波等數據處理措施突出目標體對電磁波的空間響應，達到圖像識別的目的。

目前國內所有的地質雷達多數為接觸耦合型振子天線，發射天線與接收天線之間的距離很小，甚至合二為一，因二襯表面及底面基本平行，反射波的全部路徑幾乎是垂直于二襯表面的，所以脈沖波行程需時可簡化為t=2h/v，h為二襯表面至底面的距離，而波速v=c/，其中c為光速（c=0.3m/ns），ε為地下介質的相對介電常數值。在隧道現場檢測的過程中，影響地下探測目標縱向定位精度的因素主要有兩個：電磁波傳播速度和雙程走時，其他次要的因素還有儀器的選用、參數的設置及現場操作的經驗等。

介電常數是表征材料極化并儲存電荷能力的物理量，一般情況下，人們總結了各種類型介質介電常數的經驗值，用于查找對應于檢測目標體介質的介電常數值，如混凝土的介電常數值，干混凝土通常認為處于4～40之間，濕混凝土處于10～20之間，而常見的二襯混凝土多數經驗認為處于4～9之間，但實際上，這個區間范圍很大，且介質中水分和氣候的變化，會導致介電常數值發生變化。假設二襯檢測某單道脈沖在二襯厚度范圍內雙程走時為10ns，介電常數使用6和7求得的厚度值分別是61cm和57cm，兩者相差達4cm，相對偏差達6.8%，數據可信度不高。

精確確定介質介電常數的方法很多，比較利于現場操作和較為常用的為用已經厚度的同配合比、同現場混凝土實體反求波速后，再通過公式計算得到介電常數。

二襯與防水板接觸界面的特征識別也是影響數據精度的重要因素，要進行目標界面特征的識別，首先應了解雷達波的組成。雷達工作時儀器的控制部分輸出觸發波形，觸發波形是具備一定寬度的矩形脈沖，但接收到觸發脈沖后天線實際發射的是一個子波，也可成為一個小波，其波形類似于Ricker小波，其公式為：

使用該公式形成的函數圖像如圖3，從圖中可以看出Ricker小波是一個具有一定脈沖寬度的小波，在現場條件下雷達進行測試，其反射的波形理想狀況下也是幅值有所衰減的Ricker小波形狀。

在雷達天線中心頻率選擇方面，由于具有電磁波衰減特性，一方面在實際操作中為了探測更深缺陷，就必須使用低頻率天線。而另一方面，雷達波分辨率最小間隔：1/4波長，在檢測中為了獲取較高垂直分辨率和水平分辨率，就得使天線擁有高頻率。但是頻率越高，脈沖時間越短，分辨率越高，探測深度越淺。波長可以利用天線的中心頻率f、電磁波在介質中的傳播速度Vm計算出來，垂直分辨率：

圖3 Ricker小波形象示意圖

而水平分辨率：

Fs=2[（Z+λ/4）2-Z2]1/2=2（λ2/2+λ2/16）1/2≈（2λZ）1/2≈V（tΔt）1/2

圖4 水平分辨率形象示意圖

為了解決獲取清晰的雷達圖像和探測深度之間的矛盾關系，根據隧道圍巖特點和需要檢測的深度，選擇合適中心頻率的天線進行檢測。

3 工程實例

3.1 工程地質情況

滬昆高速鐵路由滬杭客運專線、杭長客運專線以及長昆客運專線組成，途經上海、杭州、南昌、長沙、貴陽、昆明6座省會城市及直轄市，線路全長2264km，設計時速350km/h。我單位在2012～2013年期間，檢測了十多座隧道，收集大量原始數據，這里以其中某一座隧道數據進行說明。

3.2 檢測儀器、方法及工序流程

使用美國地球物理勘探公司的SIR-3000型探地雷達進行檢測，天線中心頻率為400MHz，濾波參數為高通300MHz、低通800MHz。檢測基本參數為：采樣點數512，樣點數位為16bit，單位掃描數為142～188scan/unit，掃描速度為40scan/ second，增益gain為5點手動增益，掃描方式為連續掃描。工序流程通常為：施工準備；測線布設；波速測試；數據采集；資料收集；數據處理與分析；數據解釋；成果報告書。

現場檢測中布置5條測線，分別位于拱頂和左、右拱腰和左、右拱腳?，F場數據采集按以下步驟進行：天線緊貼于隧道襯砌層表面，并沿測線連續滑動?？臻g采樣率根據系統配置和天線滑行速度設定，天線滑行速度應小于3km/h。

3.3 襯砌質量缺陷

隧道襯砌常出現的質量缺陷為：襯砌厚度不足、混凝土振搗不密實、襯砌背后存在空洞、襯砌中鋼筋間距偏大、襯砌中拱架間距偏大。

3.4 雷達信號處理

襯砌中雷達波的傳播路徑是非常復雜的，不同的介質和雜波干擾很強，正確的識別信號，提取有用的信息是雷達勘探資料分析的重要組成部分，關鍵是要記錄各種雷達數據然后處理。傳統的雷達信號處理方法是：多重疊加去除噪聲，單通道測量記錄的平均值消除相干噪聲；時變增益由低頻率修正引起的波前擴展和吸收信號損失；借助高通、帶通和頻域濾波來消除不重要的干擾頻率。利用小波變換的調焦功能和頻域-時域雙重局部性來壓制噪聲：根據當地的雷達信號和二維頻率波數域濾波實現噪聲干擾信號明顯的速度差異；偏移是將各雷達記錄的反射點移動到它原來的位置，以獲得地下介質真實的影像。

3.5 典型數據處理及圖像

用波形識別的方法對雷達數據進行分析后得出如下檢測結果。對該隧道二襯整體厚度、鋼筋網片鋪設、鋼拱架間距進行分析，結果基本滿足設計要求。

（1）隧道襯砌厚度

對現場檢測數據進行高低通濾波、疊加、反褶積處理，得到處理數據。圖5中圖像顯示該處存在雙層鋼筋網，紅色線條處是初支與二襯的分界面，從中可以看出二襯厚度比較均勻。

圖5 二襯厚度圖

（2）數據經過濾波、疊加等操作步驟，可以看出清晰的鋼筋網片，在鋼筋網片底下有較大半圓弧為工字鋼雷達圖像。

圖6 鋼筋網片圖

（3）為了更清晰的顯示圖6襯厚度及其后的鋼拱架數量及間距，將天線行走方向與鋼筋方向平行，即可弱化鋼筋網片反射信號，同時，在數據分析過程使用高低通處理、偏移和反褶積處理，即可形成圖7。

圖7 鋼拱架位置圖

（4）該隧道在部分拱頂，存在淺部不密實現象（圖8）。

（5）為更好的評估隧道二襯厚度和初支位置，對部分里程地層拾取，提取出EXCEL表格，可以直觀的顯示實際厚度（圖9）。

圖8 淺部缺陷圖

圖9 行掃描圖像與EXCEL表格數據

4 結束語

雷達探測技術作為一種手段在隧道襯砌質量檢測中是可行的，在數據處理方面應合理選擇參數，尤其是介電常數的選擇直接影響襯砌厚度的判斷；由于襯砌作為一種復雜介質，存在不均勻性，因此檢測結果也存在一定的誤差；雷達波頻率的選擇應根據天線的中心頻率選擇，低頻不小于1/2，髙頻不大于2.5倍；檢測條件須滿足：檢測體與周邊的環境介質存在一定的介電常數差異；襯砌質量的優劣，應通過雷達檢測結果及結合地質、勘測資料、現場施工記錄來綜合判斷。

[1]楊 峰，彭蘇萍.地質雷達探測原理與方法研究[M].北京：科學出版社，2010.

[2]郭小鳳，曾光宇，周 巍.地質雷達在隧道襯砌厚度檢測中的應用[J].核電子學與探測技術，2011，31（10）.

[3]涂文戈，鄒銀生，陳理慶.雷達波在混凝土無損檢測中的應用[J].建筑科學與工程學報，2007，24（3）：82～86.

U452.11

A

2095-2066（2016）34-0193-03

2016-11-12

宋存軍（1981-），男，本科，主要從事工程檢測方面工作。