地質(zhì)雷達技術(shù)在隧道襯砌檢測中的應(yīng)用分析

吳金鋒，李 科

（貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司，貴州貴陽 550014）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的隧道工程也隨著城市間公路以及鐵路的不斷發(fā)展和擴發(fā)中逐漸的增多，這也導(dǎo)致了隧道施工質(zhì)量以及隧道安全問題出現(xiàn)隱患的可能性越來越多，隧道襯砌是隧道工程的主要受壓迫結(jié)構(gòu)，因此，隧道襯砌的施工質(zhì)量是保障公路或鐵路能夠安全運行的主要因素。研究表明，通過使用探地雷達，可以高效準(zhǔn)確的檢測出隧道襯砌在施工過程中的出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，因此，本文主要針對地質(zhì)雷達技術(shù)在隧道襯砌檢測中的應(yīng)用進行主要分析。

1 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測過程中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的隧道襯砌檢測方式較為落后，會對隧道襯砌的本身造成損害，并且傳統(tǒng)的隧道襯砌檢測方式效率較低，已經(jīng)開始逐漸被隧道襯砌檢測所淘汰，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，地質(zhì)雷達被越來越多的隧道工程襯砌檢測所采用，地質(zhì)雷達就一定的抗干擾能力并且操作方便，在隧道襯砌檢測過程中分辨率高，滿足隧道襯砌連續(xù)測量以及無損檢測的要求。

地質(zhì)雷達技術(shù)是一種新興的地下探測技術(shù)，是探測地下物質(zhì)以及混凝土建筑物無損檢測的一項新技術(shù)，通過使用超強的高頻率電磁波探測地下介質(zhì)的分布，在隧道工程項目的隧道襯砌檢測過程中，利用地質(zhì)雷達技術(shù)的探測原理對隧道襯砌進行無損檢測。地質(zhì)雷達通過雷達天線對隧道襯砌發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，對隧道襯砌進行全斷面掃描，得到隧道襯砌斷面掃描圖像，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達的電磁波信號在隧道襯砌內(nèi)部傳播，如果出現(xiàn)介電差異較大的介質(zhì)界面時，地質(zhì)雷達系統(tǒng)則可以通過天線向隧道襯砌檢測目標(biāo)發(fā)生反射以及透射和折射。因此，地質(zhì)雷達技術(shù)是我國目前隧道襯砌檢測內(nèi)部缺陷最先進也是最便捷的儀器之一[1]。

2 探地雷達的工作原理以及工作方式

2.1 地質(zhì)雷達進行隧道襯砌工作原理

地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測過程中的工作原理是通過，地質(zhì)雷達的發(fā)射機通過發(fā)射天線利用高頻電磁波訊號，對隧道襯砌檢測巖石層的探測目標(biāo)進行探測的過程中，會發(fā)生一個反射的訊號，結(jié)合隧道襯砌媒質(zhì)中的傳播的直達訊號通過接收天線輸入接收機中，對隧道襯砌建設(shè)進行探測和定位分辨。由于地質(zhì)雷達的探測是通過高頻電磁波，在對隧道襯砌檢測的過程中地質(zhì)雷達的天線屏蔽干擾較小，可以滿足隧道襯砌檢測探測范圍廣以及分辨率高的要求，并且具備能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)信息進行有效的處理，增強地質(zhì)雷達的信號功能，對隧道襯砌檢測過程中進行連續(xù)透視掃描。在透視掃描的施工現(xiàn)場顯示二維彩。因此，地質(zhì)雷達的測能力優(yōu)于傳統(tǒng)隧道襯砌檢測設(shè)備。

2.2 地質(zhì)雷達進行隧道襯砌檢測工作方式

地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波作為隧道襯砌檢測目標(biāo)的信號源，其中地質(zhì)雷達的脈沖數(shù)據(jù)可以根據(jù)隧道襯砌檢測的要求靈活制定，通過寬帶天線對高速脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電磁波對探測目標(biāo)進行輻射，在對于隧道地下目標(biāo)的探測過程中，地質(zhì)雷達可以將一部分經(jīng)發(fā)射天線直接到達接收天線，而形成的直達波產(chǎn)生的參考數(shù)據(jù)進行探測深度的參考。另一部分則直接向隧道襯砌施工探測區(qū)域的地下媒體傳播。當(dāng)出現(xiàn)地下探測目標(biāo)出現(xiàn)不同媒質(zhì)界面時發(fā)生反射的電磁波時，地質(zhì)雷達可以將反射經(jīng)地面再到接收天線之后形成的反射波。地質(zhì)雷達出現(xiàn)的反射波與相對隧道襯砌地表反射的直達波出現(xiàn)的時間與地質(zhì)雷達電磁波從地表到探測目標(biāo)，再從地質(zhì)雷達探測的隧道襯砌到隧道襯砌檢測地表傳播的時間。當(dāng)知道地質(zhì)雷達的電磁波在隧道襯砌檢測地下傳播的速度時，就可以明確的得出隧道襯砌檢測目標(biāo)的檢測目標(biāo)以及檢測的深度。地質(zhì)雷達的反射波會帶著隧道襯砌檢測目標(biāo)的性質(zhì)信息數(shù)據(jù)，對記錄的探測數(shù)據(jù)進行結(jié)合處理并且對反射波形成的曲線圖進行詳細的分析，確定隧道襯砌檢測的性質(zhì)以及隧道襯砌的特征[2]。

3 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測過程中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測剖面布設(shè)原則

目前，探地雷達在隧道襯砌檢測過程中常用的方式主要是剖面法，這種方式在我國公路隧道襯砌探測中得到了廣泛應(yīng)用，剖面布局設(shè)計是根據(jù)隧道襯砌的質(zhì)量要求，結(jié)合實際隧道襯砌路基寬度，通過探地雷達通過發(fā)射天線和接受天線以固定的間距沿著探測的路線進行同步移動，最終確定隧道襯砌剖面的數(shù)量。剖面普遍沿隧道襯砌檢測的走向進行布設(shè)，且剖面的長度需要與隧道襯砌的長度相同，以便于對隧道襯砌進行連續(xù)檢測。

3.2 隧道襯砌檢測過程中探測參數(shù)的選擇

3.2.1 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時的分辨率選擇

按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時的分辨率選擇，對地質(zhì)雷達天線中心頻率的選擇，需要按照地質(zhì)雷達的分辨率進行篩選，如果隧道襯砌檢測要求地質(zhì)雷達垂直分辨率為Xm 時，地質(zhì)雷達的天線中心頻率，需要在滿足地質(zhì)雷達垂直分辨率要求的前提下篩選出頻率低的天線，達到地質(zhì)雷達對隧道襯砌檢測深度的標(biāo)準(zhǔn)，普遍取值為6。

3.2.2 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測的測深度進行選擇

如果按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測的測深度進行選擇，地質(zhì)雷達的探測深度和相同隧道襯砌媒質(zhì)的視電阻率，及地質(zhì)雷達天線的中心頻率之間產(chǎn)生的函數(shù)，作為地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時的依據(jù)，對隧道襯砌檢測中的參數(shù)進行估算。

3.2.3 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時窗的選擇

按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時窗的選擇，需要按探地雷達所探測的深度，結(jié)合地質(zhì)雷達電磁波在隧道襯砌媒質(zhì)中的傳播速度以及時窗，三者之間的關(guān)系式來代表，地質(zhì)雷達時窗用時間毫微秒的數(shù)據(jù)表示出探地雷達隧道襯砌檢測深度的范圍。

3.2.4 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時天線移動速度選擇

按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時天線移動速度選擇地質(zhì)雷達的掃描率通常為8，地質(zhì)雷達的天線寬度根據(jù)所用的天線而定，按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測目標(biāo)的大小，按地質(zhì)雷達的探測深度決定探測的方法。

3.2.5 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時采樣的間隔選擇

按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時采樣的間隔選擇，根據(jù)地質(zhì)雷達天線中心頻率與隧道襯砌檢測采樣間隔之間的關(guān)系式進行探測方法的計算。采樣頻率需要達到地質(zhì)雷達天線中心頻率的3 倍，才可以保障地質(zhì)雷達記錄的波形完整的程度。因此，通常都會在采樣率達到地質(zhì)雷達天線中心頻率的6 倍，使用地質(zhì)雷達連續(xù)為隧道襯砌檢測。

3.2.6 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時發(fā)射脈沖頻率選擇

按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時發(fā)射脈沖的頻率進行選擇，通過地質(zhì)雷達發(fā)射脈沖的頻率和對隧道襯砌檢測采樣的樣品以及地質(zhì)雷達的掃描率進行選擇。

3.2.7 按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時增益選擇的原則選擇

按照地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測時增益選擇的原則，在未知隧道襯砌檢測目標(biāo)埋深時，地質(zhì)雷達的增益選擇成指數(shù)增益，用以減掉地質(zhì)雷達電磁波隨隧道襯砌檢測深度作指數(shù)衰減的影響。如果知道隧道襯砌檢測的大概深度，地質(zhì)雷達探測參數(shù)在隧道襯砌檢測深度處的增益可以選擇大一些[3]。

3.3 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中的探測方式

3.3.1 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中使用剖面布設(shè)原則

地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中的探測方式可以根據(jù)地質(zhì)雷達剖面布設(shè)原則的布設(shè)剖面地質(zhì)探測，在地質(zhì)雷達布設(shè)的剖面上每5～10m 進行隧道襯砌檢測里程的標(biāo)記，這樣的方式方便于觀測地質(zhì)雷達探測數(shù)據(jù)的記錄以及地質(zhì)雷達探測確認的異常位置，有效的提高地質(zhì)雷達測數(shù)據(jù)的解釋以及地質(zhì)雷達探測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。與此同時還可以有效的選擇合適的地質(zhì)雷達天線頻率以及地質(zhì)雷達的觀測時窗，并且對地質(zhì)雷達的采樣間隔以及移動速度等參數(shù)的設(shè)置也有著重要的作用。

3.3.2 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中使用連續(xù)掃描探測法

地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測過程中沿隧道襯砌使用剖面進行探測，利用地質(zhì)雷達實時彩色顯示的剖面圖像進行探測，在探測過程中對隧道襯砌的標(biāo)記位置要統(tǒng)一，這樣可以有效的找到隧道襯砌探測的異常位置與實際標(biāo)注位置相對應(yīng)產(chǎn)生的特征波。通過地質(zhì)雷達的強振幅可以滿足對隧道襯砌長距離探測的連續(xù)追蹤，并且地質(zhì)雷達會產(chǎn)生波形穩(wěn)定的反射波。

3.3.3 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中使用指數(shù)增益檢測法

地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中使用指數(shù)增益檢測法也需要沿隧道襯砌剖面進行探測，通常根據(jù)隧道襯砌的不同介質(zhì)地質(zhì)分界面雷達產(chǎn)生的有效波，這種有效波的特征非常的明顯，而且非常易于識別。地質(zhì)雷達時間剖面的主要特征是地質(zhì)雷達在進行隧道襯砌檢測過程中反射波同相軸發(fā)生明顯錯動現(xiàn)象，或是隧道襯砌破碎并且?guī)в酗L(fēng)化的裂縫以及隧道襯砌內(nèi)的含水量出現(xiàn)變化，導(dǎo)致正常隧道襯砌中的地層發(fā)生突然變化，隧道襯砌內(nèi)部兩側(cè)的地表層以及隧道襯砌內(nèi)的土壤層性質(zhì)發(fā)生了變化，使得地質(zhì)雷達的時間剖面上，為隧道襯砌地下地層上的地質(zhì)雷達發(fā)出的反射波同相軸出現(xiàn)明顯錯動的現(xiàn)象。并且隧道襯砌內(nèi)部的斷層或隧道襯砌內(nèi)的土壤層性質(zhì)變化越大，地質(zhì)雷達發(fā)出的反射波同相軸出現(xiàn)明顯錯動的現(xiàn)象越明顯。

3.3.4 地質(zhì)雷達發(fā)生的反射波同相軸的局部缺失

隧道襯砌內(nèi)的地下裂縫以及隧道襯砌內(nèi)部的地下性質(zhì)發(fā)生突變和隧道襯砌內(nèi)風(fēng)化發(fā)育的程度通常是不均衡的，尤其是對于地質(zhì)雷達反射波的吸收作用以及地質(zhì)雷達的衰減作用，在隧道襯砌內(nèi)裂縫以及裂隙的發(fā)展區(qū)域，造成地質(zhì)雷達滿足可連續(xù)追蹤隧道襯砌內(nèi)對比的雷達反射波同相軸的局部缺失。而且雷達反射波同相軸局部缺失的范圍，與隧道襯砌內(nèi)部的裂縫橫向發(fā)展的范圍，以及隧道襯砌內(nèi)土壤性質(zhì)的突變有著一定的關(guān)系，致使地質(zhì)雷達發(fā)生反射波的波形出現(xiàn)畸形的變化。隧道襯砌內(nèi)部的土壤中多有成分的含量，以及隧道襯砌內(nèi)部土壤的鹽堿性質(zhì)，對于地質(zhì)雷達產(chǎn)生的波具有電磁衰減作用。同時還對地質(zhì)雷達產(chǎn)生的波具有吸收的作用，這種反射波同相軸的局部缺失作用，可以改變地質(zhì)雷達波的波形，同時會造成地質(zhì)雷達波的局部頻率降低。因此，在這也是地質(zhì)雷達在時間剖面上可以識別不同性質(zhì)隧道襯砌邊界的一個主要標(biāo)志。通過地質(zhì)雷達在探測隧道襯砌內(nèi)部不同介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，反射波的頻率也會出現(xiàn)高低不同的明顯特征。可以作為地質(zhì)雷達區(qū)分隧道襯砌內(nèi)部不同物質(zhì)界面的參考依據(jù)[4]。

3.4 地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中的數(shù)據(jù)處理方法

（1）通過隧道襯砌檢測中的數(shù)據(jù)處理可以有效壓制地質(zhì)雷達受到干擾。地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測中的數(shù)據(jù)處理的目的是壓制地質(zhì)雷達隨機會干擾，以及壓制隧道襯砌檢測中產(chǎn)生的規(guī)律干擾，拾取反射層的電磁回波，以及地質(zhì)雷達在進行隧道襯砌檢測中產(chǎn)生的各種有用的參考數(shù)據(jù)，最大限度的提高地質(zhì)雷達的剖面信噪比。并且通過鉆孔取芯與地質(zhì)雷達探測顯示出的圖像進行對比，建立起隧道襯砌內(nèi)部各層的雷達反射波組，通過對地質(zhì)雷達反射波組特征的識別，將地質(zhì)雷達反射波組的標(biāo)志設(shè)定為同相性，同時通過對地質(zhì)雷達反射波組特征的識別，獲得地質(zhì)雷達反射波的相似性與地質(zhì)雷達產(chǎn)生波形的特征等。

（2）通過隧道襯砌檢測中的數(shù)據(jù)處理可以找出地質(zhì)雷達探測的同相軸。只要隧道襯砌內(nèi)部的介質(zhì)中出現(xiàn)電性的差異，就可以在地質(zhì)雷達顯示的圖像剖面中，找到與隧道襯砌內(nèi)部的介質(zhì)相對應(yīng)的反射波。根據(jù)隧道襯砌內(nèi)部相鄰道上的地質(zhì)雷達反射波的對比，將隧道襯砌內(nèi)部不同道上，通過地質(zhì)雷達探測產(chǎn)生的同一個反射波相同并且位置也相同的區(qū)域進行連接，并且根據(jù)地質(zhì)雷達產(chǎn)生的反射波進行對比，之后成為地質(zhì)雷達探測的同相軸。

（3）通過隧道襯砌檢測中的數(shù)據(jù)處理可以得出地質(zhì)雷達反射波組的同相性。在隧道襯砌內(nèi)部的無構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)雷達產(chǎn)生的同一波組，通常有一組光滑平行的同相軸與隧道襯砌內(nèi)部的無構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)雷達產(chǎn)生的波組相對應(yīng)，這種明顯的特征可以稱為地質(zhì)雷達反射波組的同相性[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，在隧道襯砌檢測過程中使用探地雷達技術(shù)起到的作用是顯著的，但是也要注意探地雷達在隧道襯砌檢測過程中的無損探測技術(shù)還有待提高，雖然我國目前隧道襯砌檢測的效果較之傳統(tǒng)隧道襯砌檢測效果較強，但是探地雷達的準(zhǔn)確率還有待提高。因此，探地雷達對隧道襯砌檢測過程中對探測圖像的處理和探測數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合實際隧道襯砌檢測環(huán)境以及地質(zhì)進行有效的分析，結(jié)合實際探測的經(jīng)驗，完善地質(zhì)雷達技術(shù)在隧道襯砌檢測中的應(yīng)用。