《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50/T-289-2018簡介

劉興遠(yuǎn)，劉立軍，封承九，王武彪

（1重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016；2重慶市綦江區(qū)建設(shè)委員會(huì)，重慶 401420）

0 引言

雷達(dá)是人類在20世紀(jì)電子工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大發(fā)明。第一次世界大戰(zhàn)期間，軍用飛機(jī)出現(xiàn)，一些國家在抵御它的進(jìn)攻時(shí)遇到了巨大的困難。為此，有的科學(xué)家開始研制一種遠(yuǎn)距離尋找飛機(jī)的儀器，1935年英國著名的物理學(xué)家、國家物理研究所無線電研究室主任沃特森·瓦特在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一種既能發(fā)射無線電波，又能接收反射波的裝置，它能在很遠(yuǎn)的距離就探測到飛機(jī)的軌跡，這就是世界上第一臺(tái)雷達(dá)。由于航空雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)中的輝煌戰(zhàn)績，戰(zhàn)后各軍事強(qiáng)國都加速發(fā)展自己的雷達(dá)技術(shù)，且把軍用雷達(dá)推廣到民用領(lǐng)域，發(fā)展了探地雷達(dá)。

探地雷達(dá)技術(shù)（相對(duì)于探空雷達(dá)）起源于德國科學(xué)家在研究埋地特性時(shí)的專利技術(shù)，直到20世紀(jì)60年代末、70年代初，等效采樣技術(shù)和亞納秒脈沖產(chǎn)生技術(shù)的發(fā)展，從技術(shù)角度加速了探地雷達(dá)的發(fā)展。探地雷達(dá)自上世紀(jì)70年代開始應(yīng)用，至今已經(jīng)40多年了，隨著對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的不斷開發(fā)，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，在考古、建筑工程、市政工程、鐵路、公路、隧道、水利、電力、采礦各領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，解決場地勘查、線路選擇、工程質(zhì)量檢測、病害診斷、超前預(yù)報(bào)、地質(zhì)構(gòu)造研究等問題。

探地雷達(dá)方法是利用高頻電磁波（主頻為106～109Hz或更高）以寬頻帶短脈沖形式由地面或結(jié)構(gòu)體通過發(fā)射天線送入介質(zhì)內(nèi)部，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場強(qiáng)度及波形隨所通過的介質(zhì)的電性性質(zhì)及界面幾何形態(tài)而變化，經(jīng)目標(biāo)體的反射后回到表面，由接收天線接收回波信號(hào)。根據(jù)接收的反射回波的雙程走時(shí)、波幅、頻率、相位等信息，對(duì)介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行判釋的一種方法。

探地雷達(dá)已廣泛應(yīng)用到土木工程中，為了更好地應(yīng)用雷達(dá)檢測技術(shù)，我國不同行業(yè)制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1—4]，為了將雷達(dá)檢測技術(shù)應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量檢測領(lǐng)域，需制定相應(yīng)的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的編制背景

雷達(dá)檢測法屬無損檢測技術(shù)，目前探地雷達(dá)已廣泛應(yīng)用到巖土工程多個(gè)方面，其主要應(yīng)用方向如下：①在工程地質(zhì)勘察中確定基巖頂面的埋深，探測基巖中的洞穴及斷層、裂隙結(jié)構(gòu)，調(diào)查與研究第四系活動(dòng)斷層；②對(duì)人工建筑物、道路及機(jī)場跑道、填方等工程施工質(zhì)量進(jìn)行無損檢測，以對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)；③探查人工挖孔樁樁底是否存在溶洞及基巖頂面的埋深；④對(duì)各類隧道的施工中地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和襯砌施工質(zhì)量檢測；⑤調(diào)查公路、鐵路及城市、礦山等的地面塌陷成因及預(yù)測潛在的塌陷區(qū)范圍；⑥調(diào)查山體滑坡、堤岸崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的成因及特征；⑦在城市建設(shè)中用于地下管線探測。我國已頒布了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1—4]，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)了探地雷達(dá)檢測技術(shù)的應(yīng)用。

根據(jù)探地雷達(dá)的探測原理，在建筑結(jié)構(gòu)中，雷達(dá)可探測的項(xiàng)目有：鋼筋的分布、結(jié)構(gòu)分層、板厚度、混凝土內(nèi)部缺陷等。目前工程應(yīng)用中，對(duì)于鋼筋分布、樓板厚度、混凝土內(nèi)缺陷分布則只能分別采用鋼筋探測儀、樓板厚度測試儀以及非金屬超聲波檢測儀進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)的檢測，探地雷達(dá)設(shè)備可同時(shí)完成上述項(xiàng)目的檢測。雷達(dá)相對(duì)于其他儀器具有準(zhǔn)確性、直觀性（現(xiàn)場成圖）和操作簡便等特點(diǎn)，當(dāng)只有一個(gè)探測面時(shí)，雷達(dá)檢測也可實(shí)現(xiàn)，因此雷達(dá)技術(shù)在建設(shè)工程質(zhì)量檢測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

重慶直轄以來，建筑產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，建筑面積逐年增加，建筑工程質(zhì)量問題備受關(guān)注。雷達(dá)檢測法以其快速、無損、適應(yīng)性強(qiáng)、檢測結(jié)果直觀等特點(diǎn)而日趨廣泛地應(yīng)用于建設(shè)工程質(zhì)量檢測中，縱觀重慶市建筑檢測行業(yè)，目前雷達(dá)檢測尚無一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)，無疑限制了雷達(dá)檢測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。因此，制定雷達(dá)法檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范雷達(dá)檢測的操作程序和方法，既是技術(shù)發(fā)展的需要，也是保證檢測質(zhì)量的需要。為此，2010年重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)在《關(guān)于印發(fā)2010年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)制訂、修訂計(jì)劃項(xiàng)目計(jì)劃的通知》中批準(zhǔn)了該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。

2009年南京工業(yè)大學(xué)制訂了江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn) 《雷達(dá)法檢測建設(shè)工程質(zhì)量技術(shù)規(guī)程》[5]DGJ32/TJ 79-2009。2013年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的 《關(guān)于印發(fā)2013年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂、修訂計(jì)劃的通知》批準(zhǔn)了由南京工業(yè)大學(xué)、江蘇大漢建設(shè)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司會(huì)同有關(guān)單位完成工程建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的立項(xiàng)申請(qǐng)，2014年12月16日住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部組織專家在南京工業(yè)大學(xué)召開了規(guī)程送審稿審查會(huì)，并通過了專家審查，但目前《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)暫未頒布實(shí)施。

2 雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及特點(diǎn)

重慶市 《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50/T-289-2018（備案號(hào)：J14185-2018）由重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)于2018年5月1日起實(shí)施。為此，作者簡要介紹其適用范圍、特點(diǎn)及使用中注意的問題。

探地雷達(dá)探測技術(shù)應(yīng)用的前提是探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)存在明顯的電性差異，應(yīng)用效果直接受介電常數(shù)、電導(dǎo)率、發(fā)射頻率等參數(shù)影響。混凝土與鋼筋、空氣、巖土體、水等的介電常數(shù)差異較大，因此，標(biāo)準(zhǔn)第1.0.2條規(guī)定：“本標(biāo)準(zhǔn)適用于雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及其他內(nèi)部埋設(shè)物數(shù)量及位置、構(gòu)件截面尺寸和混凝土內(nèi)部缺陷。”

目前工程實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論分析，認(rèn)為雷達(dá)法檢測技術(shù)較為成熟的檢測項(xiàng)目有：混凝土構(gòu)件中的鋼筋數(shù)量及位置，混凝土構(gòu)件截面尺寸（含變截面、分層厚度）、混凝土內(nèi)埋設(shè)物的檢測（如預(yù)埋管線）及混凝土構(gòu)件內(nèi)部密實(shí)性（含缺陷，因雷達(dá)天線配置不同，識(shí)別缺陷的能力有較大差異）。對(duì)其他項(xiàng)目的檢測，可按文獻(xiàn)[1]—文獻(xiàn)[4]等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行；當(dāng)多層材料的介電常數(shù)差異較大時(shí)，如外墻設(shè)有保溫層，通過比對(duì)試驗(yàn)，也可采用雷達(dá)法檢測各分層材料的厚度。

標(biāo)準(zhǔn)第3章強(qiáng)調(diào)了雷達(dá)檢測設(shè)備及參數(shù)選擇，特別應(yīng)該注意的是第3.2.1條規(guī)定，根據(jù)待檢測目標(biāo)體的埋置深度宜按標(biāo)準(zhǔn)第3.2.1條中表3.2.1選擇雷達(dá)天線中心頻率，否則檢測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果真實(shí)性和有效性難以保證。

天線中心頻率的選擇直接影響到工程探測項(xiàng)目的檢測效果，常用雷達(dá)天線頻率范圍100～2500MHz，其中低頻段可用于較大深度的目標(biāo)體的探測；混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測中天線頻率主要集中在200MHz以上的高頻率段，因此正確、合理地選擇天線中心頻率至關(guān)重要。在本標(biāo)準(zhǔn)第5.3.2條中規(guī)定檢測報(bào)告應(yīng)給出雷達(dá)檢測系統(tǒng)所設(shè)參數(shù)，待檢目標(biāo)體的物理特性、幾何參數(shù)，根據(jù)檢測單位所配雷達(dá)檢測系統(tǒng)參數(shù)，可初步判斷雷達(dá)檢測系統(tǒng)是否可以檢出待檢參數(shù)。

雷達(dá)天線中心頻率選取的經(jīng)驗(yàn)如下：

式中：x為垂直分辨率(單位：m)；εr為材料相對(duì)介電常數(shù)；f為雷達(dá)天線中心頻率（單位：MHz）。據(jù)此，可確定天線中心頻率與垂直分辨率的定性關(guān)系（表1）。

表1 垂直分辨率與中心頻率的定性關(guān)系（標(biāo)準(zhǔn)中第3.2.3條條文解釋）

由此表可知：為獲得較高的垂直分辨率，雷達(dá)天線宜選擇高頻天線。若需分辨率為20mm，天線主頻宜為2500MHz；探測混凝土鋼筋時(shí)雷達(dá)天線中心頻率宜高于1000MHz；檢測混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，為達(dá)到探測精度0.5mm中心頻率宜高于5000MHz。目前，還未生產(chǎn)中心頻率高于5000MHz的探地雷達(dá)天線，為此，本標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)第4.2.3條第4款規(guī)定：雷達(dá)檢測系統(tǒng)軟件識(shí)別保護(hù)層厚度精度不宜低于1mm。此表說明，雷達(dá)探測混凝土保護(hù)層厚度的精度存在問題，其精度一般難于滿足現(xiàn)有施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，如混凝土板保護(hù)層厚度一般為15mm，用探地雷達(dá)檢測混凝土樓板的保護(hù)層厚度欠妥。

本標(biāo)準(zhǔn)第3.2.1條中的表3.2.1給出了混凝土結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）中目標(biāo)探測深度（距離）與部分代表性單天線中心頻率范圍的關(guān)系，為便于實(shí)際工程應(yīng)用，可根據(jù)工程中預(yù)估的目標(biāo)探測深度或距離直接查表3.2.1選取雷達(dá)天線的中心頻率。一般混凝土構(gòu)件的截面高度或厚度小于5m，因此，本表（表1）僅給出了目標(biāo)探測深度在5m以內(nèi)的中心頻率選擇建議，當(dāng)目標(biāo)探測深度大于5m時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的雷達(dá)天線中心頻率。

關(guān)于探測深度（距離）和天線頻率之間的關(guān)系，介質(zhì)特性對(duì)探測深度有較大影響，高衰減介質(zhì)中的探測深度比低衰減介質(zhì)中的探測深度要淺，在同樣可以滿足分辨率要求的情況下，低頻天線可實(shí)現(xiàn)更深的探測深度，因而該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系在各測試深度（距離）分界點(diǎn)允許一定程度的頻率交叉范圍。天線陣列式雷達(dá)的探測能力由其天線的中心頻率、數(shù)量和天線布置形式等參數(shù)決定。不同雷達(dá)產(chǎn)品公司生產(chǎn)的雷達(dá)產(chǎn)品采取不同頻率的主頻的天線組合而成天線陣，通過天線陣檢測數(shù)據(jù)分析軟件可獲得較好的檢測效果，如喜利得PS1000采用3個(gè)主頻的天線組合成的天線陣，其檢測樓板鋼筋間距效果較好，也可識(shí)別上下層鋼筋錯(cuò)位50mm的雙層鋼筋。

本標(biāo)準(zhǔn)第3.2.6條中的表3.2.6給出了常見材料的介電常數(shù)。

根據(jù)v=λ×f，天線的中心頻率越高，波長越短，因而所能達(dá)到垂直分辨率越高，探測深度相同的含義是指能保證同樣的目標(biāo)體識(shí)別能力，不同頻率的天線其探測深度、分辨率不同。天線頻率越高，其探測分辨率越高，探測深度（距離）越小，即天線頻率與分辨率成正比，與探測深度（距離）成反比，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程中具體的探測深度（距離）選擇合適的天線中心頻率。公式（1）中的分辨率x指的是雷達(dá)的垂直分辨率，其理論值一般取0.5倍波長，公式（1）反映的是它與天線中心頻率及材料相對(duì)介電常數(shù)之間的關(guān)系。

根據(jù)v=λ×f，將公式（1）及x=λ/2代入v=λ×f得：v=300/（εr）1/2（本公式波速的量綱為mm/ns），當(dāng)介質(zhì)單一時(shí)，可采用測量電磁波速的方法，估算介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；也可根據(jù)常見材料的介電常數(shù)，估算電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，再根據(jù)材料厚度，可以預(yù)判雷達(dá)電磁波在材料中傳播的時(shí)程，預(yù)判材料內(nèi)的缺陷情況。

理解了本標(biāo)準(zhǔn)第3.2.1條、第3.2.5條及第3.2.6條，就初步把握了雷達(dá)法檢測混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。例如，若檢測400mm厚筏板基礎(chǔ)、配筋、混凝土保護(hù)層厚度及施工缺陷，如何選擇雷達(dá)天線？根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)表3.2.1，天線主頻宜選為1000～2000MHz，實(shí)際操作時(shí)可選2種主頻天線分別獲得檢測數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。測量基礎(chǔ)板厚度可選相對(duì)較低的頻率，如1000MHz天線，若檢測上部配筋及保護(hù)層厚度宜選2000MHz天線，若探測板底層鋼筋可選低頻天線。選擇其他主頻的天線其測量效果可能欠佳，如選200MHz天線。故此，在檢測報(bào)告中應(yīng)給出雷達(dá)所配的天線主頻。若檢測基礎(chǔ)板中所埋管線，如管線直徑為25mm，根據(jù)管線埋置深度選擇天線，若埋置深度在200mm左右宜選用主頻為2000MHz以上的天線，主頻天線越低，分辨率相對(duì)越差；若選擇1000MHz主頻天線，檢測混凝土內(nèi)部缺陷大小，當(dāng)其缺陷大小當(dāng)量小于50mm，理論上講雷達(dá)所匹配的天線，無法完成檢測任務(wù)；若選擇200MHz天線，考慮其垂直分辨率為0.3～0.5倍波長，則其分辨垂直向缺陷的大小為150～250mm，換言之，小于150mm的缺陷，雷達(dá)匹配此天線將無法識(shí)別；使用本標(biāo)準(zhǔn)附錄A時(shí)，也應(yīng)注意此點(diǎn)。

3 結(jié)語

雷達(dá)法檢測效果的可靠性不僅與雷達(dá)檢測系統(tǒng)的配置等因素有關(guān)，還受檢測環(huán)境條件及先驗(yàn)知識(shí)的制約。雷達(dá)法檢測前應(yīng)充分了解被測對(duì)象的基本資料，如地質(zhì)勘察資料、施工圖，設(shè)計(jì)變更、竣工圖，檢測資料及已往工程變更、修復(fù)、處理記錄等，需調(diào)查待檢工程周邊環(huán)境情況，如已有埋設(shè)物位置、方向及電磁特性等，初步判斷已有環(huán)境條件對(duì)檢測數(shù)據(jù)的影響，有助于后期根據(jù)剖面圖進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋，編制合理的、可操作的現(xiàn)場專項(xiàng)檢測方案。

雷達(dá)檢測技術(shù)還在不斷發(fā)展中，如雷達(dá)天線陣布設(shè)與搭配，雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)的分析技術(shù)等，在使用《雷達(dá)法檢測混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50/T-289-2018過程中，若存在意見或建議，請(qǐng)及時(shí)向主管部門或主編單位重慶市建筑科學(xué)研究院反映，以便編制單位根據(jù)雷達(dá)檢測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，及時(shí)修編相應(yīng)的技術(shù)條款。