GPR無損檢測在隧道仰拱中的應用探討

江西省天馳高速科技發展有限公司 / 萬明飛

1 問題的提出

探地雷達（ground penetrating radar，GPR）無損檢測技術應用于混凝土結構檢測始于20世紀90年代，此后便在隧道襯砌、仰拱病害等檢測領域廣泛應用。探地雷達主要通過發射天線發射高頻短脈沖電磁波，并經地下介質吸收以及異常體反射后，返回地面并被接收天線所接收。由分析軟件對所接收到的雷達波形進行處理后便得到地下介質、異常體等的分布情況。隧道襯砌質量無損檢測主要針對二襯、初支、仰拱等結構，其中仰拱填充及混凝土澆筑層厚度大，在應用探地雷達無損檢測技術進行隧道仰拱脫空、不密實、厚度不足等缺陷檢測時，必須對天線參數進行調整優化處理，以保證檢測結果的真實可靠性。

2 技術應用

某隧道起訖樁號DKX15+150~ DKX15+530，長度為410m，采用單洞對向行車二級公路標準設計，隧道進出口均為U形溝谷及單一走廊帶，進口為削竹式洞門，出口為墻式洞門，進出口海拔分別為3865m和3910m。該隧道是連接川西北、加強民族團結、振興少數民族地區的交通要道。在運行過程中，隧道DKX15+185~DKX15+226段仰拱先后出現裂縫，為快速準確確定裂縫原因，隧道管理當局決定采用GPR探地雷達無損檢測技術進行病害段仰拱密實度、內部缺陷規模大小等的檢測。

2.1 數據采集

在應用探地雷達進行該隧道仰拱缺陷檢測時，必須確定測區，并根據待測目標規模進行網格布線。測線間距按照待測目標水平尺度、分辨率等確定，為避免發生漏測，測線間距應≤目標水平尺度與分辨率。本文主要檢測隧道仰拱右側測線處既有裂縫，故應在待檢測位置進行網格布線，其中a~g、j~n及p、q為測線。在完成網格布線后，根據目標深度、尺度、場地要求及天線尺寸等進行天線中心頻率的確定。隧道仰拱實測時，應在滿足場地條件及分辨率要求的基礎上，盡量選用中心頻率較低的天線，本隧道仰拱實際厚度1.8~2.2m，故選用400MHz的天線進行檢測。

根據隧道仰拱探測深度最大值和介質電磁波波速實際情況確定采樣時窗大小，且充分考慮以上兩個變量的變化情況后，應預留出0.3倍以上的采樣視窗余量。本隧道仰拱檢測中采樣視窗 的大小主要根據式 進行估算，式中 為隧道仰拱探測深度最大值（m）； 為介質電磁波波速（m/ns）。根據本隧道仰拱檢測段最大厚度值及混凝土結構中電磁波實際傳播速度，采樣視窗 取45ns。

每道波形的采樣點數即為掃描樣點數，本隧道工程所用探地雷達檢測設備包括128、256、512、1024、2048等五種采樣點可供選擇。為使監測頻率下各波形所對應的采樣點數至少為10個，掃描點數應不小于10個時窗長度與天線頻率之積，所以，本隧道仰拱檢測掃描點數取1024。每秒鐘所采集的掃描線數量即為掃描速率，掃描線越密集則掃描速率越大，雷達天線移動速度也越快。確定出掃描速率后，雷達天線移動速度主要根據待測目標體實際尺寸確定，并保證在探測目標范圍內至少設置20條掃描線，且移動速度不大于掃描速率與探測目標最小尺寸之積。由此所確定出的本隧道工程仰拱探地雷達檢測掃描速率為70Scans/s。為保證掃描記錄線上不同檢測時段放大倍數不同，確保各段信號清晰顯示，還必須確定增益點數，按照反射信號強度不低于設計滿度值60%的相關要求，本隧道仰拱探地雷達檢測時設置5個增益點。

2.2 數據處理及結果分析

為壓制并降低隨機規則干擾波的不利影響，必須進行數據處理，提升雷達剖面信噪比，并提取出電磁回波中的有用參數，進行隧道仰拱結構中不同介質物理特性的描述與解釋。此外，進行數據處理的目的還在于重置數據元素，達到補償不同方向反射疊加所造成空間畸變的目的。在具體進行數據處理時，必須結合原始數據數量的多少及質量的高低增減處理步驟。根據對本隧道工程仰拱結構混凝土厚度的測量結果，得到其襯砌混凝土介電常數取6.5，電磁波傳播速度為0.12m/ns，并按照一般流程進行探地雷達數據處理。

基于數據處理結果進行隧道仰拱結構混凝土缺陷解釋。在反射目標提取的過程中待測介質中電性差異存在，便能在雷達剖面中確定出相應的反射波，并通過比較鄰道反射波，將其相同相位連接成同相軸。對于均勻無差異區域而言，同一組波的波峰、波谷等相位特征基本保持不變；而對于水平電性分界層，反射波組中通常存在一組同相軸與之平行。考慮到探地雷達所記錄的點距往往小于介質變化相位，所以鄰道上相同反射波組形態主特征不會發生較大變化，其波峰、波谷、波形、振幅及周期等均具有較為穩定的特征。結合該隧道仰拱病害探地雷達反射波組的實際特征，可直接在雷達圖像中進行反射層提取。

根據對起訖樁號DKX15+185~DKX15+226段橫向不密實缺陷雷達圖像中正常部位反射波與不正常部位反射波波形圖的比較發現，距離隧道仰拱表面0~43cm以內的反射波振幅、相位大致一致；而在距離隧道仰拱表面43~125cm內兩道反射波相位相反，且異常部位反射波振幅最大可達正常部位反射波振幅的3倍，隨距離增加，介電常數變化更為明顯，高頻波更加常見；但當與隧道仰拱表面距離超出125cm后，異常反射波波幅及相位逐漸趨于正常。

在距離隧道仰拱表面43~125cm范圍內帶狀繞射較為發育，雜波較強，且同向軸并不連續，通過分析其缺陷圖發現，測線f所對應樁號為DKX15+189~ DKX15+190，平均深度為0.54m，所測得的帶狀長條形缺陷繞射發育，面積為1.15m2，且雜波強；測線f所對應樁號為DKX15+191~DKX15+220，平均深度為0.51m，所測得的帶狀長條形缺陷繞射發育，面積為1.15m2；測線c、d、m、n、p所對應樁號分別 為DKX15+185~DKX15+186、DKX15+187~DKX15+188、DKX15+221~DKX15+222、DKX15+223~DKX15+224、DKX15+225~DKX15+226，平均深度分別為0.42m、0.45m、0.5m、0.58m和0.72m，所測得的帶狀長條形缺陷均繞射發育，缺陷面積分別為1.74m2、1.28m2、1.71m2、1.62m2、1.4m2。以上檢測結果表明，該隧道仰拱局部區域混凝土填充均勻性差，膠結密實度不良。

3 結論

綜上所述，隧道仰拱探地雷達檢測在精度及分辨率方面有較高要求，在應用探地雷達400MHz天線進行隧道仰拱缺陷檢測時，主要借助Radan7軟件進行相關數據處理。施工方和質量控制單位在隨后進行了隧道仰拱缺陷鉆孔驗證，破檢結果和GPR探地雷達無損檢測結果相符，表明本工程應用GPR探地雷達檢測隧道仰拱時數據采集、處理方法準確有效，檢測結果真實可靠。