地質雷達在隧道質量檢測中的影響因素研究

蔡颯

（重慶市交通工程質量檢測有限公司，重慶 400000）

1 地質雷達檢測原理

當前，納秒脈沖技術的不斷發展，推動了地質雷達的廣泛應用，其通過天線進行電磁脈沖發射，且頻譜寬度較大，雷達可以在單次脈沖掃描下獲得大量資料信息。地質雷達的檢測普遍是一個工程單元，在檢測的過程中，電磁波穿透的介質普遍都是非均質的、有消耗的介質。同時，因為電磁波在耗電介質中進行傳播是具有復雜性的，無法準確解譯通過地質雷達所得到的圖像。

地質雷達法：地質雷達法是通過電磁波在介質電磁特性不連續處進行散射以及反射，使達到淺表層，進而定量或定性的地表電磁的特性變化進一步辨識，依據運動以及動力學的特征，如電磁波回波的波形、振幅以及頻率等，對介質結構和物性特征進一步分析以及準確推斷，從而對表層下進行探測。能夠通過波形記錄圖像，直觀對混凝土內部實際病害情況進行分析，且，能夠根據特定的探測深度以及具體分辨率的要求，選擇與頻率相對應的天線，這種方法能夠在隧道襯砲的表面進行探測，具有方便快捷性，能夠大面積的進行檢測，并且可以反復的進行測試。地質雷達工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 地質雷達工作原理

2 地質雷達檢測技術在隧道檢測中的應用

2.1 儀器設備和檢測過程

地質雷達無損檢測通常是選用國外普遍生產的地質雷達，按照不同隧道的不同地質環境決定儀器的選擇，不同的隧道環境所需要的檢測的儀器型號也是不一樣的。在檢測的具體過程中，關鍵的檢測項目被大約分為以下3 項：①檢測隧道襯砌層的實際厚；②檢測巖體間的實際電性；③襯砌層和圍巖間的具體密實度。地質雷達無損檢測關鍵是通過分析檢測的所有數據，判斷隧道內的實際情況。探地雷達的發射天線向地下定向發射高頻短脈沖電磁波，電磁波在實際的傳播中遇到電性差異的地層或目標體就會進行反射以及透射，當天線接收到反射波信號時，會將其進行數字化，再以反射波波形的形式通過計算機做好記錄。處理好采集相關數據之后，地下目標體的結構、空間位置以及分布特征可以按照反射波的具體傳播時間、波形以及幅度進行準確判斷。

2.2 檢測數據收集

在隧道內運用地質雷達無損探測技術時，天線發出的信號與隧道襯砌結合的程度，是必須要重視的，所以，相關負責人員必須要根據地質雷達的規范檢測標準進行操作，注意滑動時必須要順著標準的路線進行移動。在雷達發出信號后，必須要時刻觀察隧道內的信號實況，并做好信號采集工作。普遍情況下，雷達所發出的脈沖信號頻率為64/s，每個脈沖信號發出后，其發射區域會獲得45～60 個監測點，工作人員應在確保隧道探測無損的基礎上，保證所獲數據的精準性，再由準也負責人員具體分析隧道內的實況，收集詳細的數據信息，對隧道內存在的安全隱患進行判斷。地質雷達應在探測必須要前標定隧道探測部位的介電常數。地質雷達探測資料收集如圖2 所示。

圖2 地質雷達檢測數據收集

2.3 所得監測數據的處理

地質雷達關鍵是運用超高頻以及寬頻帶電磁脈沖技術，資料采集多是以反射波的特征為關鍵依據。但是雷達達到的效果會受隧道環境的影響，想要有效預防這種干擾，將檢測結果的精準性得到提高，就必須要科學處理好原始數據，這時就需要相關負責人系統分析采集到的數據。資料和數據的處理包括記錄資料回訪顯示，處理官方資料等兩個環節。通過對第一階段的正確分析，能夠準確地處理好隧道內的異常，按照雷達圖像中的實際頻率、形態以及位置等具體特征，注意判斷采集到的信息，準確找出隧道內遺留的安全隱患；第二階段，利用雷達專用軟件，以反射波為關鍵依據，對有關數據進行完整處理，詳細了解隧道內的基本情況，并做好最終的數據分析。

3 隧道檢測中地質雷達的影響因素

3.1 介電常數對地質雷達在隧道質量檢測中的影響

因為地質雷達是通過介電常數產生的差異對隧道病害進行判別的，因此，當介電常數產生較大差異時，電磁波的波形會出現明顯變化，可以及時發現隧道存在的質量問題。介電常數對地質雷達的檢測關鍵發揮兩個方面的作用。

介電常數的變化會在一定程度上影響到天線接收反射波的時間。媒質雷達反射波時間與介電常數是成正比的。當介電常數較大時，媒介物質中的電磁波波速會被減小，如果媒質物質其介電常數未發生變化，電磁波要通過較長時間再能夠穿透媒介。

若是介電常數產生了浮動變化，那么也會造成地質雷達接收的電磁波發生改變。若在襯砲前表面的雷達反射波出現較大變化，原因是由于空氣與媒介界面常數產生較大變化，空氣的介電常數普遍是保持在穩定值，當面層的介電常數被增加后，空氣和面層間的介電常數也會存在較大差異，促使面層電磁波的反射強度被一定程度上增大，促使此層的反射波振幅被增大，而位于面層以下界面的電磁波其振幅會減小。主要原因有以下3 個方面。

（1）空氣層和面層屬于介電常數不相同的不同物質，當電磁波穿過的介質的界面不同時，介電常數會發生強烈的變化，從能量學原理進行解釋，波的傳播其本質上就是在傳遞能量，當波穿過這兩種介質時，一定會損耗一定程度的能量，因此，面層界面其電磁波的透射系數會被降低。

（2）若界面下層其介電常數未發生變化，但面層其介電常數被增加了，在此情況下，面層和下層其介電常數間會產生較大差異，這樣界面的電磁波反射系數就會被一定程度上降低。

（3）面層電導率會損耗到電磁波，同時使面層介質中的波速減慢，造成電磁波傳播到界面下的時間增長了，因為增加了介電常數，使電磁波向下傳播的能量損耗。

3.2 地質雷達參數設置對檢測結果的影響

檢測結果的準確性會受地質雷達參數的影響。地質雷達的關鍵參數包括：主機時窗、天線中心頻率、測點間點距以及樣率設置等。

地質雷達選擇天線中心頻率時必須要對測量目標物的深度以及范圍兩個方面進行考慮，根據檢測隧道的普遍規律，在分辨率和環境允許的情況下，盡量選擇中心頻率較小的天線。

在檢測隧道質量的前期，必須要對目標體的實際深度范圍進行掌握，且選擇合適的頻率的天線。檢測深度以及分辨率會影響到天線中心頻率的最終選擇。

3.3 其他因素的影響

運用地質雷達檢測隧道襯砲質量中出現誤差是必然的，對檢測誤差主要因素進行分析對降低誤差有重要意義。在對險道進行質量檢測時，影響結果的因素包括：計算襯砲厚度時產生的誤差、空洞以及回填松散區產生的誤差、定位里程產生的誤差等。

（1）計算襯砲厚度產生的誤差，計算襯砲厚度產生誤差的關鍵因素是電磁波速度產生變化以及界面判識缺少精確度，同一隧道內砲底混凝土的標號與含水量、回填物的實際密實程度、隧道結構的變化、環境以及施工工藝出現異常都會造成介電常數產生不同差異。所以，介電常數會在一定范圍內發生變化。但在計算襯砲混凝土厚度時，一般取固定的某一速度值；界面判識的準確性取決于界面的顯著性、干擾波的大小以及判識者的經驗。

（2）脫空、空洞以及不密實等在回填松散區的深度范圍產生誤差，通過地質雷達檢測襯砲質量時，從接收天線對回波信號進行直接接收，屬于復雜的時域波形，由于當前硬件以及軟件技術水平有限制，所以，無法從原始波形中直接區分出襯棚界面、空洞以及松散區等界面的反射回波、襯布背后的空洞，回填松散區和裂縫中含有空氣或水使反射信號更明顯。

（3）里程定位誤差，其關鍵是由里程標記的準確度決定的，由于隧道路面的實況差以及不能夠均勻的檢測車速度，還有里程標記之間的里程位置是要經過均勻內插才能獲得到，若是檢測車不能保持均勻的運行速度，那么內插的里程就會產生較大的誤差。

4 減小地質雷達檢測隧道質量誤差的方法

（1）進行檢測前期必須要做好里程標記。里程尾數需要從0 或者5 開始，按先后順序在隧道壁上每5m 或10m 通過油漆對里程樁做好標記。里程數標記必須要確保準確清晰，里程點會影響到檢測缺陷的位置是否準確，若是某一里程樁號出現了漏點，就會導致判定結果的里程數不精準。

（2）確保良好的檢測環境。①探測時雷達天線必須要避開配電箱、電焊機等電氣設備，最大限度地降低無線電波產生干擾的概率。②預防在雷達天線上盤繞、捆綁偵測電纜線、鐵絲等金屬線，預防雷達天線接收端受到信號干擾。③確保待檢測的斷面混凝土其齡期最少在15d 以上，降低混凝土中含水量的影響，預防檢測隧道仰拱時地面出現積水。

（3）選對雷達天線，設置好與之相匹配的天線參數。隧道襯砌檢測常用的是400MHz、900MHz 兩種頻率的天線。在對不相同頻率的雷達天線進行更換時，必須要在雷達主機設置中選擇與之相匹配的天線型號。

雷達天線的頻率不同，檢測的深度以及精度就都不一樣。雷達天線頻率越高，檢測的準確度就會更高。在檢測深度達到標準的前提下，必須多選用頻率高的雷達天線，從而才能夠提高精度。

（4）標定介電常數。雖然在雷達儀器參數設置中給出了混凝土的介電常數值，但由于混凝土的配比、齡期、含水量等方面的差異，造成了不同的介電常數。所以在實際檢測中，可能會出現選用的介電常數與現場混凝土中的介電常值不符的現象。所以在檢測時，應對隧道混凝土的介電常數值標定不少于1 處，當隧道長度大于3km，襯砌材料或含水量發生較大變化時，標定點數量應適當增加。

（5）增益調整。隧道檢測是否能發現缺陷信號增益是整個檢測結果判定的靈魂，圍巖等級不同，襯砌支護不同，雷達儀器在檢測過程中顯示的信號強弱不同，就需要不同的增益。增益調整時，先做自動增益調整，如果達不到要求，再做人工增益調整。總體原則是淺層信號減弱，深層信號增多。增益調整時，信號波峰和波谷左右的寬度盡量不要超過邊界線，否則會造成信號過強，影響結果判定，保證以信號波峰和波谷左右的寬度為邊界線寬度的3/4 為宜。

5 結語

地質雷達具有易操作、檢測速度快且精度高的優點，已廣泛應用于隧道質量檢測中，但因為隧道內環境復雜，需要先關負責人與施工人員進行配合，進行充分的檢測準備，在檢測的過程中必須要重視細節，分析檢測中普遍產生的影響因素，給予具有針對性的策略，合理的運用地質雷達進行精準檢測，順利開展隧道質量檢測工作。