劉 海

（廣東天衡工程建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司武漢管理中心 武漢 430063）

隨著國內(nèi)地質(zhì)雷達儀器研制水平的提高與國外先進儀器的引進，地質(zhì)雷達探地技術(shù)已在工程地質(zhì)勘查、結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查與考古等眾多領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。但是，由于地質(zhì)雷達圖像解釋目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范、規(guī)程，各檢測單位均根據(jù)自己的經(jīng)驗對雷達圖像進行處理、分析，因此雷達圖像解釋水平參差不齊。筆者在對采集到的大量雷達圖像進行整理、分析的同時，提出了自己對雷達圖像解析的認識，為地質(zhì)雷達解釋水平的提高積累了經(jīng)驗。

1 地質(zhì)雷達檢測技術(shù)簡介

地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波檢測地下介質(zhì)分布或?qū)Σ豢梢娔繕?biāo)體、地下界面進行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達儀通過發(fā)射天線直接向探測目標(biāo)發(fā)射高頻電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到存在電性差異的目標(biāo)體，如混凝土、鋼支撐、圍巖、不密實區(qū)、空洞等時，電磁波便發(fā)生反射，返回到被探測體表面時被接收天線接收，在對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達波的波形、強度、雙程走時等參數(shù)便可推斷探測物體內(nèi)各介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達到對隱蔽體的探測［1］。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 設(shè)備介紹

國內(nèi)經(jīng)常使用的地質(zhì)雷達儀分別為美國的SIR－20型探地雷達與瑞士的ZOND－12型探地雷達。上述兩款儀器都具有天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實時數(shù)據(jù)處理和信號增強，現(xiàn)場實時顯示二維彩色圖像等特點。其中以美國的SIR－20型探地雷達應(yīng)用最為普遍。

2.2 雷達天線的選擇

目前在地質(zhì)雷達探測中使用最廣泛的是900，500，100MHz天線。頻率高的天線，精度高，能量衰減快，探測深度淺。頻率低的天線，精度相對較低，能量衰減較慢，探測深度較深。因此選擇天線時應(yīng)根據(jù)探測的深度與精度要求來確定。

根據(jù)介質(zhì)的不同，各天線的探測深度通常是：900MHz天線探測深度為1～2m，500MHz天線探測深度為7～10m，100MHz天線探測深度為30～50m。目前900MHz天線主要用于結(jié)構(gòu)物檢測，500MHz天線主要用于路基路面檢測，100MHz天線主要用于地質(zhì)勘察與隧道的超前預(yù)報。

2.3 測線的布置

（1）公路檢測。①路基、路面檢測：路基、路面檢測時雷達測線主要是沿縱向布置，一般布置1～2條測線。也可以每隔50m沿橫斷面布置1條橫向測線作為輔助測線。在有病害的路段應(yīng)加布橫向測線；②隧道檢測：隧道檢測中雷達測線應(yīng)以縱向布線為主，橫向布線為輔?？v向布線應(yīng)在隧道拱頂，左、右側(cè)拱腰，左、右側(cè)邊墻，隧底各布置一條。橫向布線可按檢測內(nèi)容和要求布設(shè)線距，一般情況線距8～12m；采用點測時每斷面不少于6個點。如發(fā)現(xiàn)不合格段落應(yīng)加密測線和測點。

（2）地質(zhì)勘察。地質(zhì)雷達應(yīng)用于地質(zhì)勘察主要有公路選線與工點勘察，詳細查明橋梁工點基巖面的起伏，探明滑坡體的厚度與寬度，在隧道開挖掘進中探明掌子面前方圍巖情況。除隧道掌子面前方圍巖探測時測線采用井字形布置外，其他測線均采用縱向布線。

2.4 地質(zhì)雷達波速的標(biāo)定

因為電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的。因此在進行地質(zhì)雷達圖像分析解釋時，必須要先知道電磁波在被探測介質(zhì)中的傳播速度vi。在可進行雷達波速標(biāo)定的介質(zhì)中，每次探測前標(biāo)定應(yīng)不少于1處，每次實測不少于3次，取平均值為該介質(zhì)的介電常數(shù)或電磁波速。當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)變化較大時，應(yīng)適當(dāng)增加標(biāo)定點數(shù)［2］。

標(biāo)定可在介質(zhì)已知厚度部位或與介質(zhì)材料相同的預(yù)制件上進行，還可以通過鉆孔實測。

標(biāo)定結(jié)果按下式計算：

3 隧道內(nèi)不同介質(zhì)的雷達圖像辨識

（1）鋼支撐的雷達圖像。見圖1。圖像中月牙形的強反射亮斑即為鋼拱架在雷達圖像中的反映。由于高頻電磁波在鋼支撐表面發(fā)生全反射，因此在該處的反射信號最強，雷達偽彩色圖像呈現(xiàn)月牙形［3］。

圖1 鋼拱架雷達圖像

（2）鋼格柵的雷達圖像。見圖2。圖像中的黃綠色原子團狀物質(zhì)即為鋼格柵在雷達圖像中的反映，由于鋼格柵存在空隙，因此雷達波在該處的反射信號沒有型鋼拱架那么強，它在雷達偽彩色圖像上反映為類似倒寫的英文字母W。

圖2 鋼格柵雷達圖像

（3）裂隙水的雷達圖像。見圖3。圖像中藍紫色的強反射區(qū)域即為裂隙水在雷達圖像上的反映，之所以會發(fā)生類似鋼拱架的強反射是因為水的相對介電常數(shù)為81，與其他介質(zhì)的相對介電常數(shù)成倍數(shù)關(guān)系，水的表面幾乎將雷達波的全部高頻信號反射，形成了對高頻信號的屏蔽效應(yīng)，所以雷達圖像上會有很清晰的反映。

圖3 裂隙水雷達圖像

（4）混凝土不密實區(qū)的雷達圖像。見圖4。圖中標(biāo)注1為介質(zhì)表面，標(biāo)注2為格柵拱架，標(biāo)注3為襯砌與圍巖的分界面，c區(qū)域為不密實區(qū)。該區(qū)域雷達圖像特點為：入射波未正常衰減，存在多次反射，從圖像上至少可識取3個反射界面，因此該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)不均勻，存在不密實區(qū)。在雷達偽彩色圖像上反映為背斜狀反射圖形。

圖4 不密實區(qū)雷達圖像

4 隧道探測中容易引起誤判的雷達圖像辨析

在做地質(zhì)雷達檢測時，如果檢測環(huán)境惡劣，施工情況復(fù)雜，雷達天線不易移動時，常會收集到一些失真的雷達圖像。為了避免這些失真的雷達圖像給我們造成誤判，需要根據(jù)自己的檢測經(jīng)驗對采集的數(shù)據(jù)進行“去偽存真”。下面對實際檢測中容易造成誤判的失真雷達圖像進行辨析。

（1）雷達天線通過預(yù)留洞室時的圖像解析。在做二次襯砌邊墻檢測時，由于邊墻上常常會有一些預(yù)留的洞室，該洞室實際就相當(dāng)于一個人造空洞，它在雷達圖像上會有很明顯的反映，見圖5。

圖5 預(yù)留洞室雷達圖像

為了在分析時不產(chǎn)生誤判，需將它與真實的不密實區(qū)區(qū)分開來。從預(yù)留洞室和不密實區(qū)的部位不難看出，它們最大的區(qū)別就在于其檢測部位不同。預(yù)留洞在檢測面的表面，不密實區(qū)則存在被檢測體的內(nèi)部。它們在雷達波上的區(qū)別就是預(yù)留洞室在波的傳播路徑上多了一個空氣層。據(jù)此，就可以找到分辨它們的方法。圖5中標(biāo)注d為雷達波在空氣層中的波形圖，它與雷達波直接發(fā)射到檢測面的波形圖的區(qū)別是：在標(biāo)注d區(qū)域存在兩個波的視周期都較窄，而正常雷達圖像中只有一個波的視周期較短，也就是直達波的視周期較短。直達波是直接在介質(zhì)表面發(fā)生反射的波，它的傳播路徑就是空氣。而雷達天線經(jīng)過預(yù)留洞室時電磁波的傳播路徑多了一層空氣介質(zhì)，電磁波在空氣中傳播時，波的高頻信號沒有損失，因此可以看到有2個幾乎沒有衰減的波峰出現(xiàn)。這是判斷雷達天線是否經(jīng)過預(yù)留洞室的最顯著特征。而雷達波之所以會在空氣與介質(zhì)中存在視周期不同的現(xiàn)象，是因為雷達波在入射進非空氣介質(zhì)時在介質(zhì)表面將損失大量的高頻信號，當(dāng)剩余的低頻信號復(fù)合成新的波形圖時，它在時間軸上的視周期自然會變寬（如標(biāo)注e區(qū)域）。因此當(dāng)入射波存在連續(xù)的窄的視周期波形圖時，可以得出該雷達圖像為預(yù)留洞室的雷達圖像。

（2）雷達天線在離開檢測面時的雷達圖像辨析。從圖6中可以清楚地看到一個斜面，如白色箭頭所示，該斜面反映的是雷達天線離開探測物體表面后又貼緊探測面的過程。其他的雷達圖像辨析與圖5類似，當(dāng)雷達天線離開被檢測面時，雷達天線與被檢測面間就多了一個空氣層，從右側(cè)的波形圖就可以發(fā)現(xiàn)它出現(xiàn)了2個視周期很短的波峰，因此可以判斷雷達天線脫離了被測體表面。

圖6 天線脫離表面雷達圖像

5 結(jié)語

運用地質(zhì)雷達探測隧道內(nèi)部不可見介質(zhì)是一種先進的無損檢測技術(shù)。與傳統(tǒng)的人工取心相比，地質(zhì)雷達按測線檢測所采集的數(shù)據(jù)量更大，更加具有真實性，同時更經(jīng)濟快捷。

通過對隧道內(nèi)部各介質(zhì)的雷達圖像進行辨析，找出了它們在雷達圖像上所反映的圖形特征，為今后的雷達圖像解釋積累了經(jīng)驗，同時對檢測中容易引起誤判的雷達圖像進行了分析說明，為提高雷達圖像解析的準確度提出了很好的建議。

［1］李大心.探地雷達方法與應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［2］熊昌盛.提高地質(zhì)雷達在隧道二次襯砌檢測中探測精度的方法［J］.鐵道建筑，2008（1）：61－63.

［3］陳禮偉.地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量中的問題研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24（10）：146－149.