公路隧道質量無損檢測的GPR技術應用

張華為 鄒俊華

（1.湖南金君工程科技有限公司，湖南 長沙 410205；2.湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410205）

一、工程概況

在隧道支護施工中由于各種復雜原因，往往造成在支護內存在眾多問題，容易出現(xiàn)隧道襯砌裂縫、滲水、襯砌混凝土厚度不夠、強度不足，以及襯砌背后脫空、回填不密實，鋼筋網(wǎng)缺失等質量問題。本文主要通過介紹無損檢測的GPR技術的理論基礎，并采用專門的地質雷達檢測儀器進行檢測工作，以達到準確掌握、了解各種典型的隧道質量情況，及時發(fā)現(xiàn)隧道工程中存在的質量問題，消除工程質量隱患。

二、探地雷達檢測的基本原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)也稱作地質雷達，是一種利用地下介質對廣譜電磁波的不同響應來確定地下介質分布特征的地球物理技術。探測時，探地雷達由發(fā)射天線向隧道實體發(fā)射某一中心頻率附近的高頻、寬帶的短脈沖電磁波。電磁波在隧道實體介質中傳播時，其振幅、相位和頻率等波形特征會隨介質的特性、幾何形狀等變化而變化，經(jīng)隧道實體或目標體反射而返回表面，被另一天線R所接收。探地雷達接收天線則記錄下反射回表面的電磁波，通過分析所穿過介質的相關信息，以確定隧道實體的厚度、襯砌鋼筋、襯砌空洞等質量狀況或存在的質量缺陷分布。

三、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

（一）檢測設備

現(xiàn)場檢測儀器設備采用的是美國地球物理勘探公司（GSSI）推出的新一代探地雷達系統(tǒng)（SIR-3000型探地雷達），該系統(tǒng)具有多通道、多天線、掃描快、低噪聲等優(yōu)點，既可以連續(xù)測量，也可以點測。天線配置主要從分辨率、穿透力、穩(wěn)定性三個方面綜合衡量，通常選用400MHz和900MHz的屏蔽天線。

（二）測線布置方式

本次試驗檢測采用拱頂、左右拱腰、左右邊墻5條縱向測線，對于問題比較集中的地方，加密布線或者橫向布設測線，檢測測線斷面布置示意圖見圖1。縱向布置測線的優(yōu)越性：可連續(xù)檢測，防止遺漏，檢測覆蓋范圍廣，檢測效率高。

圖1 地質雷達測線布置圖

（三）相對介電常數(shù)的標定

介電常數(shù)是一個無量綱物理量，它表征一種物質在外加電場情況下，儲存極化電荷的能力。自然界中物質的介電常數(shù)最大的物質是水，介電常數(shù)為81，最小的是空氣，數(shù)值為1。工程狀態(tài)下的巖土介質，其介電常數(shù)的主要差異決定于含水量的大小。

在已知埋地目標體的厚度h，假設雷達位于目標體正上方時測量的雙程行進時間為t。，然后將雷達移至目標體水平距離x處測量雙程行進時間t1，則隧道襯砌的波速為

從而可以得到隧道襯砌的相對介電常數(shù)ε0為

（四）天線中心頻率選擇

在保證分辨率且場地條件允可時，盡量使用中心頻率低的天線。天線的中心頻率可由下式確定：

式中，x為空間分辨率。在一般公路隧道質量檢測中，通常選用中心頻率為400MHz和900MHz的屏蔽天線。

（五）掃描時窗選擇

掃描時窗的選取既不能選得太小以防丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測深度h為目標深度的1.5倍。根據(jù)探測深度h和介電常數(shù)ε，可確定下式估算采樣時窗長度（Range）：

（六）其他參數(shù)的選擇

掃描樣點數(shù)：1024sample/scan；增益方式：一般取5點自動增益方式；采集方式：連續(xù)剖面測量；采樣頻率：15倍的天線中心頻率。

四、數(shù)據(jù)的處理

探地雷達資料處理的主要任務是，利用雷達探測的基本原理及電磁波在介質中的傳播規(guī)律和數(shù)字信號處理的方法在計算機上對采集的雷達數(shù)據(jù)進行有效處理，得到記錄中與隧道結構信息的位置、形態(tài)、結構和大小等有關的信息，為后期的反演解釋提供依據(jù)。數(shù)據(jù)處理的主要目的是通過背景去噪、濾波、偏移、反褶積等等相關手段抑制隨機干擾和有規(guī)律的干擾，最大限度提高探地雷達的分辨能力，提取電磁反射波的各種有用參數(shù)，來解釋不同介質的物理特征，進而實現(xiàn)對雷達信號特征的識別。將野外測量數(shù)據(jù)采用專業(yè)處理分析系統(tǒng)進行資料處理、分析和解釋正是基于上述方法得以實現(xiàn)。

五、實例分析

襯砌內的鋼筋或鋼格柵對隧道薄弱或重要部位的質量非常關鍵，起著不可忽略的加固作用，其配筋的質量直接影響結構穩(wěn)定。本文采用GPR技術對某公路工程隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻5條縱向測線共約37km進行連續(xù)掃描。通過以上處理手段，采用追蹤回波在橫向和縱向上的延續(xù)和變化，對連續(xù)掃描采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到雷達圖像，清晰地分析各種雷達波組的特征(如相位、波幅、波形、頻率等)，展現(xiàn)出目標體在平面和剖面上的形態(tài)。具體檢測結果見表1、2。

表1 二次襯砌厚度檢測結果一覽表

表2 二次襯砌背部空洞及缺陷檢測結果一覽表

圖5-1 隧道二襯YK15+078～YK15+074 拱頂 空洞

圖5-2 隧道二襯YK15+360～YK15+372 拱頂 保護層偏薄

附圖5-3 隧道二襯YK15+760～YK15+820左邊墻（僅YK15+770～YK15+780存在鋼筋）

六、結論

采用無損檢測的GPR技術對公路工程隧道進行了全方位掃描，全面檢測了隧道存在的質量，通過現(xiàn)場對檢測存在的脫空、鋼筋保護層偏薄、無鋼筋信號處進行了鉆芯確認，驗證了GPR技術在檢測出質量缺陷的準確性。對工程質量的監(jiān)管力度得到提高，同時也督促參建單位提高質量意識，提高公路工程建設的質量水平和投資效益。