探地雷達在隧道檢測技術中的波形識別

朱 浩，牟 勇

(貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴州 貴陽 550004)

1 探地雷達系統組成和波性特征的基本分析

介質電磁性質，直接關系到電磁波于不同類型介質中傳播、折射及反射的規律等情況，經使用電磁波于工程介質中傳播，產生電磁性質方面差異界面則會產生反射情況。國內、外不同型號探地雷達組成極為相似，多通過發射機、接收機，以及天線和信號處理機等構成，探地雷達系統可將高頻電磁波，通過寬頻帶脈沖的方式以發射天線——被探測物發射，這一雷達脈沖于被探測物質傳播于各種介質交界面，一些雷達波能量反射后經接收天線所接收，電磁波實際傳播期間路徑、電磁強度、波形等，會受到介質電的性質、幾何形態改變而發生一定變化，結合反射信號時延、形狀，以及頻譜特性等情況來看，能解譯目標深度、介質的結構、性質等相關情況。在此之后，使用數字圖像恢復技術、重建技術處理探測目標成像，探地雷達發射天線、接收天線，經固定距離順著測線移動，記錄點處于天線中間位置，雷達圖形不同點會順著測線鉛垂方向，采取脈沖反射波波形形式作以相應的記錄，進而形成雷達剖面。探地雷達發射電磁波介質傳播的過程，容易受到傳播距離增加因素影響而發生降低狀況，所以進行采集數據分析的過程，應處理好電磁波信號并及時補充損失能量。各種介質介電常數比較區別較大，電磁波處于各種介質傳播會在界面產生反射現象、入射現象，介質介電常數存在的差異更大、反射則更顯著。這時，探地雷達使用該原理實行質量缺陷探測，空氣介電常數、混凝土介電常數及水介電常數情況具體如表1。需要注意的是金屬介電常數較大，電磁波、金屬就更容易產生反射情況，建議在混凝土隱蔽工程缺陷探測中應用。質量檢測即為對初期支護、襯砌混凝土厚度、空洞等檢測，隧道混凝土局部空洞/未達到密實的效果，電磁波會經混凝土中及空氣中，不同介質介電常數差異較大，界面反射非常強烈可經增益、選取平均值的方式處理，如此一來空洞位置會于疊加波形圖上利于觀察。分層界面圍巖、襯砌層間雷達波形的頻率差異突出，襯砌介質比較均勻，一般為低頻弱反射波，襯砌和圍巖、初支、二襯間有一定縫隙，所以能為分解層面提供數據支持。襯砌缺陷常見空洞、脫空缺陷，電磁波于空洞中反射，反射波持續時間非常長，欠密實波形雜亂且反射非常多，波形為分散的狀態。金屬類物體所致反射波較強，非金屬類物體波形較強為拋物線狀，隧道環向水管通常易形成這一波形的信號。

表1 介電常數情況分析

2 探地雷達隧道檢測數據采集情況研究

探地雷達有較多頻率的天線，而天線的頻率更高、探測深度則更深、分辨率則會更低。針對于此，隧道檢測過程應結合檢測內容采用適合頻率天線處理，比如：SIR-30E型探地雷達和配套天線，一般來講實行現場采集數據期間需對參數采集模式、時間窗口，以及增益方式和大小、濾波等進行設定。實際采集數據前作以波速標定，距離采集的過程落實相應的距輪標定測定工作，隧道初支檢測可使用900 mHz天線，第二次選擇400 mHz天線，設定為距離采集的模式。時窗結合初支厚度選擇檢測深度在1.2倍左右，掃描樣點數則需選擇大一點的，然而采集數據時間會相應的延長。每秒掃描數選擇較大值，這個過程容易受到儀器、掃描樣點數所影響，在選用自動增益之后通過手動方式調整檢測目標，增益點數的話則需要結合時窗的大小確定，如果視窗較短可選擇3點增益，時窗較長建議選擇5點增益。此外，增益大小調節情況能夠提高反射性好強度，增益過大容易發生信號削頂現象，反之增益過小會導致信號衰弱，濾波主要包括垂向及水平濾波，前者高通頻率選擇天線頻率8%左右，而低通頻建議選用高于2.5倍左右的天線頻率。

3 探地雷達在隧道檢測技術波形識別中的應用情況解析

以珠江隧道為例，其處于廣州西南白鵝潭西部河道，作為廣州市地鐵一號線芳村區進到中心區主要通道，隧址位置江面寬度約為420 m、下面為紅砂巖，全隧道經北岸黃沙段、河中段、南岸芳村段幾個部分構成。河中段高度、寬度分別為10 m、30 m，內部存在兩孔機動車道孔，地鐵隧道河中段長度為450 m，主要通過5節沉管法進行施工，北岸黃沙段長度、南岸芳村段長度分別為：60 m、425 m。

3.1 隧道初支檢測情況

斜山隧道左洞樁號初期支護雷達剖面，工字鋼性鋼拱架信號一般為傘形強反射信號，傘形分散比較明顯造成的影響非常大。而處置、圍巖間的信號振幅較小，波形同相軸整齊、連續，沒有觀察到畸形現象表示分層界面密實沒有缺陷。

3.2 二次襯砌檢測情況

隧道二次襯砌易受到圍巖級別影響，圍巖級別如果為I～III級表示整體性能較佳，自穩能力非常強的圍巖主要為素混凝土襯砌結構，初支、二襯不需加筋處理。襯砌界面、圍巖分層界面便于觀察，沒有發生反射信號波形現象，而且混凝土、圍巖能保持緊密貼合的狀態。實際進行雷達檢測期間圍巖、混凝土電性有著較大的差異，若電性差異基本相同可采取濾波+局部增益、相位追蹤等方式評判分層界面。襯砌脫空缺陷的發生使得空氣、混凝土、圍巖等波阻抗差異過大，這時反射波信號較強，會對下部信號構成非常大的影響、容易識別。如果為V～IV級、軟脫破碎帶性能不佳、自穩能力差的圍巖，初期支護中可添加工字鋼、格柵鋼作以拱架支撐，后期二襯中添加鋼筋網、二襯安全儲備，雷達剖面鋼筋波形信號為反射弧的狀態，主要表現：連續小雙線形較強的反射性好，反射波、表面反射波為同相，一般會在兩板二襯施工接縫位置發現三角空洞，受到鋼筋影響無法客觀評判脫空、欠密實情況，經掃描數、數字濾波，以及變換等方法處理，如果必要建議經鉆孔方式驗證。欠密實缺陷、脫空缺陷下，雷達信號波形為同相軸能夠顯示繞射弧形的狀態，信號強、分散無法保持連續，同時反射波中有較多的多次波、持續時間非常長，因而容易產生嚴重脫空的問題，隧道工程相關人員需引起重視。

4 結 語

當前，探地雷達隧道檢測技術被廣泛應用于隧道檢測中，不但能及時對隧道施工質量評判，在第一時間明確隧道襯砌質量薄弱環節，而且能夠加強質量監控。該項技術的應用高效、簡便、無損，所以建議在隧道工程檢測中廣泛應用、推廣，以此充分發揮出該項技術的最大應用價值。