宋存軍（中鐵十一局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，湖北武漢430074）

探討隧道檢測中的地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用

宋存軍（中鐵十一局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院，湖北武漢430074）

利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行無損檢測是地球物理探測技術(shù)中的一種方法，并在隧道質(zhì)量的檢測中受到廣泛重視。本文通過對地質(zhì)雷達(dá)的工作原理進(jìn)行介紹，并對地質(zhì)雷達(dá)的測試方法進(jìn)行了研究，結(jié)合實(shí)例工程實(shí)例講述了地質(zhì)雷達(dá)利用高頻電磁脈沖波探測目標(biāo)介質(zhì)的介電常數(shù)，可以快速準(zhǔn)確地掌握襯砌結(jié)構(gòu)的厚度，襯砌結(jié)構(gòu)背后空洞、鋼拱架間距等情況。

地質(zhì)雷達(dá)；鐵路隧道；襯砌質(zhì)量；圖像解譯

引言

地質(zhì)雷達(dá)法已成為工程質(zhì)量檢測的主要手段，主要檢測混凝土結(jié)構(gòu)、圍巖體內(nèi)部的缺陷等。隧道做為高鐵工程重要的構(gòu)成部件，其在施工過程中由于地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，常常存在混凝土襯砌厚度不合格、內(nèi)部布筋不規(guī)范、背后脫空、不密實(shí)等缺陷。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

1.1 理論基礎(chǔ)

探地雷達(dá)作為工程物探檢測的一項(xiàng)新技術(shù)，具有連續(xù)、無損、高效和高精度等優(yōu)點(diǎn)，由一體化主機(jī)、天線及配套軟件等部分組成，根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，探地雷達(dá)以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波 （幾MHz～幾GHz），當(dāng)其遇到不均勻體（界面）時(shí)會反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，通過對雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識別隱蔽目標(biāo)物的目的（見圖1）。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

（1）雷達(dá)可測量信號到達(dá)目標(biāo)的傳輸時(shí)間，利用傳播速率計(jì)算出目標(biāo)的距離；

（2）當(dāng)滿足下面條件時(shí)，隱蔽物可由雷達(dá)探出：在天線信號范圍之內(nèi)；信噪比適當(dāng)。

1.2 電磁波在介質(zhì)中的反射特性

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，因此根據(jù)探地雷達(dá)記錄上的地面反射波與反射波的時(shí)間差ΔT，即可據(jù)下式算出異常的埋藏深度H：

H即為目標(biāo)層厚度；

V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，其大小由下式表示：

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；ε為相對介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

雷達(dá)波反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由上式可知，相鄰介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，則反射信號超強(qiáng)烈。反射信號的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號越強(qiáng)。

雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越??；中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。雷達(dá)信號在不同介電常數(shù)介質(zhì)發(fā)生反射的波形如圖2。

圖2 信號在不同介質(zhì)層面的波形圖

式中，ω為電磁波的角頻率；σ為金屬的電導(dǎo)率。從上式可以看出，由于金屬的電導(dǎo)率σ趨于無窮大，即當(dāng)電磁波傳播至鋼筋、鋼架時(shí)，電磁波將發(fā)生全反射。

1.3 雷達(dá)采樣定理

（1）采樣準(zhǔn)則：電磁場作為一個隨空間和時(shí)間變化的函數(shù)，需要經(jīng)過采樣和記錄才能為后續(xù)處理所用。GPR的測量掃描則必須遵守基本的采樣準(zhǔn)則。對于頻率為f的簡諧波進(jìn)行時(shí)間和空間采樣，時(shí)間采樣Δt和空間采樣Δx需要滿足奈奎斯特采樣準(zhǔn)則：

（2）對于相對帶寬為1[帶寬=中頻頻率]的GPR沖擊脈沖信號，理想情況下以上準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換為：

為擴(kuò)展其使用性一般取理想值的一般，如下：

2 地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)要點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)是從地面向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波探測目的體及地質(zhì)現(xiàn)象的，由于地下介質(zhì)比空氣具有強(qiáng)得多的電磁波衰減特性，加之地下介質(zhì)情況的多樣性，電磁波在土中的傳播特性比在空氣中要復(fù)雜得多，地質(zhì)雷達(dá)所接收到的信號十分復(fù)雜，脈沖在通過地下介質(zhì)的過程中，波形和波幅將發(fā)生較大的變化，而脈沖余振、系統(tǒng)內(nèi)部干擾、地表不光滑或地下介質(zhì)不均勻等引起的散射及剖面旁側(cè)的繞射等干擾，均使得實(shí)時(shí)記錄圖像多變和不易分辨。需要通過壓制噪聲、增益補(bǔ)償、帶通濾波等數(shù)據(jù)處理措施突出目標(biāo)體對電磁波的空間響應(yīng)，達(dá)到圖像識別的目的。

目前國內(nèi)所有的地質(zhì)雷達(dá)多數(shù)為接觸耦合型振子天線，發(fā)射天線與接收天線之間的距離很小，甚至合二為一，因二襯表面及底面基本平行，反射波的全部路徑幾乎是垂直于二襯表面的，所以脈沖波行程需時(shí)可簡化為t=2h/v，h為二襯表面至底面的距離，而波速v=c/，其中c為光速（c=0.3m/ns），ε為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)值。在隧道現(xiàn)場檢測的過程中，影響地下探測目標(biāo)縱向定位精度的因素主要有兩個：電磁波傳播速度和雙程走時(shí)，其他次要的因素還有儀器的選用、參數(shù)的設(shè)置及現(xiàn)場操作的經(jīng)驗(yàn)等。

介電常數(shù)是表征材料極化并儲存電荷能力的物理量，一般情況下，人們總結(jié)了各種類型介質(zhì)介電常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，用于查找對應(yīng)于檢測目標(biāo)體介質(zhì)的介電常數(shù)值，如混凝土的介電常數(shù)值，干混凝土通常認(rèn)為處于4～40之間，濕混凝土處于10～20之間，而常見的二襯混凝土多數(shù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為處于4～9之間，但實(shí)際上，這個區(qū)間范圍很大，且介質(zhì)中水分和氣候的變化，會導(dǎo)致介電常數(shù)值發(fā)生變化。假設(shè)二襯檢測某單道脈沖在二襯厚度范圍內(nèi)雙程走時(shí)為10ns，介電常數(shù)使用6和7求得的厚度值分別是61cm和57cm，兩者相差達(dá)4cm，相對偏差達(dá)6.8%，數(shù)據(jù)可信度不高。

精確確定介質(zhì)介電常數(shù)的方法很多，比較利于現(xiàn)場操作和較為常用的為用已經(jīng)厚度的同配合比、同現(xiàn)場混凝土實(shí)體反求波速后，再通過公式計(jì)算得到介電常數(shù)。

二襯與防水板接觸界面的特征識別也是影響數(shù)據(jù)精度的重要因素，要進(jìn)行目標(biāo)界面特征的識別，首先應(yīng)了解雷達(dá)波的組成。雷達(dá)工作時(shí)儀器的控制部分輸出觸發(fā)波形，觸發(fā)波形是具備一定寬度的矩形脈沖，但接收到觸發(fā)脈沖后天線實(shí)際發(fā)射的是一個子波，也可成為一個小波，其波形類似于Ricker小波，其公式為：

使用該公式形成的函數(shù)圖像如圖3，從圖中可以看出Ricker小波是一個具有一定脈沖寬度的小波，在現(xiàn)場條件下雷達(dá)進(jìn)行測試，其反射的波形理想狀況下也是幅值有所衰減的Ricker小波形狀。

在雷達(dá)天線中心頻率選擇方面，由于具有電磁波衰減特性，一方面在實(shí)際操作中為了探測更深缺陷，就必須使用低頻率天線。而另一方面，雷達(dá)波分辨率最小間隔：1/4波長，在檢測中為了獲取較高垂直分辨率和水平分辨率，就得使天線擁有高頻率。但是頻率越高，脈沖時(shí)間越短，分辨率越高，探測深度越淺。波長可以利用天線的中心頻率f、電磁波在介質(zhì)中的傳播速度Vm計(jì)算出來，垂直分辨率：

圖3 Ricker小波形象示意圖

而水平分辨率：

Fs=2[（Z+λ/4）2-Z2]1/2=2（λ2/2+λ2/16）1/2≈（2λZ）1/2≈V（tΔt）1/2

圖4 水平分辨率形象示意圖

為了解決獲取清晰的雷達(dá)圖像和探測深度之間的矛盾關(guān)系，根據(jù)隧道圍巖特點(diǎn)和需要檢測的深度，選擇合適中心頻率的天線進(jìn)行檢測。

3 工程實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)情況

滬昆高速鐵路由滬杭客運(yùn)專線、杭長客運(yùn)專線以及長昆客運(yùn)專線組成，途經(jīng)上海、杭州、南昌、長沙、貴陽、昆明6座省會城市及直轄市，線路全長2264km，設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h。我單位在2012～2013年期間，檢測了十多座隧道，收集大量原始數(shù)據(jù)，這里以其中某一座隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行說明。

3.2 檢測儀器、方法及工序流程

使用美國地球物理勘探公司的SIR-3000型探地雷達(dá)進(jìn)行檢測，天線中心頻率為400MHz，濾波參數(shù)為高通300MHz、低通800MHz。檢測基本參數(shù)為：采樣點(diǎn)數(shù)512，樣點(diǎn)數(shù)位為16bit，單位掃描數(shù)為142～188scan/unit，掃描速度為40scan/ second，增益gain為5點(diǎn)手動增益，掃描方式為連續(xù)掃描。工序流程通常為：施工準(zhǔn)備；測線布設(shè)；波速測試；數(shù)據(jù)采集；資料收集；數(shù)據(jù)處理與分析；數(shù)據(jù)解釋；成果報(bào)告書。

現(xiàn)場檢測中布置5條測線，分別位于拱頂和左、右拱腰和左、右拱腳?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集按以下步驟進(jìn)行：天線緊貼于隧道襯砌層表面，并沿測線連續(xù)滑動。空間采樣率根據(jù)系統(tǒng)配置和天線滑行速度設(shè)定，天線滑行速度應(yīng)小于3km/h。

3.3 襯砌質(zhì)量缺陷

隧道襯砌常出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷為：襯砌厚度不足、混凝土振搗不密實(shí)、襯砌背后存在空洞、襯砌中鋼筋間距偏大、襯砌中拱架間距偏大。

3.4 雷達(dá)信號處理

襯砌中雷達(dá)波的傳播路徑是非常復(fù)雜的，不同的介質(zhì)和雜波干擾很強(qiáng)，正確的識別信號，提取有用的信息是雷達(dá)勘探資料分析的重要組成部分，關(guān)鍵是要記錄各種雷達(dá)數(shù)據(jù)然后處理。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號處理方法是：多重疊加去除噪聲，單通道測量記錄的平均值消除相干噪聲；時(shí)變增益由低頻率修正引起的波前擴(kuò)展和吸收信號損失；借助高通、帶通和頻域?yàn)V波來消除不重要的干擾頻率。利用小波變換的調(diào)焦功能和頻域-時(shí)域雙重局部性來壓制噪聲：根據(jù)當(dāng)?shù)氐睦走_(dá)信號和二維頻率波數(shù)域?yàn)V波實(shí)現(xiàn)噪聲干擾信號明顯的速度差異；偏移是將各雷達(dá)記錄的反射點(diǎn)移動到它原來的位置，以獲得地下介質(zhì)真實(shí)的影像。

3.5 典型數(shù)據(jù)處理及圖像

用波形識別的方法對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出如下檢測結(jié)果。對該隧道二襯整體厚度、鋼筋網(wǎng)片鋪設(shè)、鋼拱架間距進(jìn)行分析，結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求。

（1）隧道襯砌厚度

對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行高低通濾波、疊加、反褶積處理，得到處理數(shù)據(jù)。圖5中圖像顯示該處存在雙層鋼筋網(wǎng)，紅色線條處是初支與二襯的分界面，從中可以看出二襯厚度比較均勻。

圖5 二襯厚度圖

（2）數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、疊加等操作步驟，可以看出清晰的鋼筋網(wǎng)片，在鋼筋網(wǎng)片底下有較大半圓弧為工字鋼雷達(dá)圖像。

圖6 鋼筋網(wǎng)片圖

（3）為了更清晰的顯示圖6襯厚度及其后的鋼拱架數(shù)量及間距，將天線行走方向與鋼筋方向平行，即可弱化鋼筋網(wǎng)片反射信號，同時(shí)，在數(shù)據(jù)分析過程使用高低通處理、偏移和反褶積處理，即可形成圖7。

圖7 鋼拱架位置圖

（4）該隧道在部分拱頂，存在淺部不密實(shí)現(xiàn)象（圖8）。

（5）為更好的評估隧道二襯厚度和初支位置，對部分里程地層拾取，提取出EXCEL表格，可以直觀的顯示實(shí)際厚度（圖9）。

圖8 淺部缺陷圖

圖9 行掃描圖像與EXCEL表格數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

雷達(dá)探測技術(shù)作為一種手段在隧道襯砌質(zhì)量檢測中是可行的，在數(shù)據(jù)處理方面應(yīng)合理選擇參數(shù)，尤其是介電常數(shù)的選擇直接影響襯砌厚度的判斷；由于襯砌作為一種復(fù)雜介質(zhì)，存在不均勻性，因此檢測結(jié)果也存在一定的誤差；雷達(dá)波頻率的選擇應(yīng)根據(jù)天線的中心頻率選擇，低頻不小于1/2，髙頻不大于2.5倍；檢測條件須滿足：檢測體與周邊的環(huán)境介質(zhì)存在一定的介電常數(shù)差異；襯砌質(zhì)量的優(yōu)劣，應(yīng)通過雷達(dá)檢測結(jié)果及結(jié)合地質(zhì)、勘測資料、現(xiàn)場施工記錄來綜合判斷。

[1]楊 峰，彭蘇萍.地質(zhì)雷達(dá)探測原理與方法研究[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

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U452.11

A

2095-2066（2016）34-0193-03

2016-11-12

宋存軍（1981-），男，本科，主要從事工程檢測方面工作。