盧衛(wèi)東

【摘要】 地質(zhì)雷達(dá)在工程檢測(cè)中具有廣泛用途，是無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)的重要設(shè)備，本文介紹了地質(zhì)雷達(dá)在工程檢測(cè)中的一些特點(diǎn)和運(yùn)用，并分析了其在工程實(shí)踐中的技術(shù)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 地質(zhì)雷達(dá) 工程檢測(cè) 技術(shù)應(yīng)用

Abstract： Geological radar is widely used in the field of engineering detection， it is an important equipment for nondestructive quality detection. This paper illustrates some characteristics and applications of geological radar in the engineering detection and analyzes technical applications in the engineering practice.

Keywords： geological radar， engineering detection， technical application.

一、地質(zhì)雷達(dá)介紹

地質(zhì)雷達(dá)，亦稱探地雷達(dá)，是一種通過(guò)輻射電磁波探測(cè)目標(biāo)體的無(wú)損探測(cè)設(shè)備，一般包括雷達(dá)主機(jī)、發(fā)射接收天線、電纜線等部分。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射特定頻率的電磁波，電磁波在介質(zhì)中行進(jìn)，若遇到物體界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)不同，比如巖體軟硬交界面，空洞界面等，電磁波就會(huì)發(fā)生反射并被接收天線接收到，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，從而達(dá)到對(duì)目標(biāo)體的獲知[1-2]。相對(duì)介電常數(shù)是一個(gè)很重要的概念，無(wú)量綱，以符號(hào)εr表示，它是反映地下介質(zhì)電性的一個(gè)重要參數(shù)。相對(duì)介電常數(shù)不同的兩種物質(zhì)的分界面，會(huì)引起電磁波的反射，這是地質(zhì)雷達(dá)得以探測(cè)目標(biāo)體的物理基礎(chǔ)?？諝獾南鄬?duì)介電常數(shù)值為1，水的相對(duì)介電常數(shù)值為81，大部分巖石和土的相對(duì)介電常數(shù)在4～10之間[3]。雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)前，首要做的工作就是標(biāo)定目標(biāo)體的實(shí)際介電常數(shù)值。地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線能發(fā)射不同頻率的電磁波出去。電磁波頻率高，對(duì)目標(biāo)體識(shí)別的分辨率就高，但探測(cè)深度較淺；電磁波頻率低，識(shí)別分辨率就低，但探測(cè)深度較大。要根據(jù)目標(biāo)體的特點(diǎn)合理選擇天線的中心頻率，雷達(dá)天線主要有100MHz、200MHz、400MHz、900MHz、1500MHz等。每種中心頻率的天線都是設(shè)計(jì)有一定頻段帶寬的，這樣只需要少量幾種中心頻率的雷達(dá)天線就可以基本滿足各類檢測(cè)需要。目前市面上常用的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備有美國(guó)勞雷公司SIR系列，中國(guó)電波傳播研究所LTD系列以及瑞典MALA系列。地質(zhì)雷達(dá)可應(yīng)用于工程的施工過(guò)程檢測(cè)、病害缺陷檢測(cè)、交（竣）工檢測(cè)、定期檢查等，地質(zhì)雷達(dá)一般屬于測(cè)線范圍內(nèi)檢測(cè)，只能反映測(cè)線一定范圍附近的檢測(cè)情況。探測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)目標(biāo)體的特點(diǎn)和目的，制定合理的檢測(cè)方案。地質(zhì)雷達(dá)分辨率有縱向分辨率和橫向分辨率兩種，實(shí)際應(yīng)用中較為關(guān)心的是雷達(dá)縱向分辨率。縱向分辨率就是雷達(dá)在天線發(fā)射電磁波的方向上（一般指垂直方向）能夠“看清楚”目標(biāo)體的最小尺寸，橫向分辨率就是雷達(dá)在天線橫向移動(dòng)方向上（一般指水平方向）能夠“看清楚”目標(biāo)體的最小尺寸。天線的中心頻率和帶寬是兩個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出的縱向分辨率理論上能得到λ/8大?。é酥鸽姶挪úㄩL(zhǎng)），但考慮到探測(cè)環(huán)境復(fù)雜的實(shí)際情況及誤差，縱向分辨率一般取λ/4[3]。地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)，用廠家提供的專業(yè)雷達(dá)軟件進(jìn)行后期處理工作。盡管目前雷達(dá)后期處理數(shù)據(jù)軟件功能已經(jīng)很豐富了，但雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)該重視現(xiàn)場(chǎng)采集階段，如果采集階段的數(shù)據(jù)不理想，后期再怎么處理都難以達(dá)到好的效果。處理雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)遵循“簡(jiǎn)單和真實(shí)”的原則，避免過(guò)度加工數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理手段越復(fù)雜，越花哨，越有可能引入人為的干擾和意圖。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，要做到“理解和一致規(guī)則”的對(duì)待數(shù)據(jù)，尊重在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際客觀采集到的目標(biāo)體信息。

二、地質(zhì)雷達(dá)在工程建設(shè)中的應(yīng)用

2.1地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中用途多樣，可用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探測(cè)掌子面前方圍巖情況，也可用于隧道初支和二襯的質(zhì)量檢測(cè)及仰拱探測(cè)。

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)一般可探測(cè)到范圍0～40m區(qū)段，通常采用100MHz中心頻率的屏蔽天線。雷達(dá)分辨圍巖異常目標(biāo)體精度很高，可探測(cè)出掌子面前方圍巖的節(jié)理裂隙帶，破碎帶或空洞，是目前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中必不可少的探測(cè)設(shè)備。采集數(shù)據(jù)時(shí)候，雷達(dá)一般采用點(diǎn)測(cè)模式，信號(hào)通常要做合理的數(shù)字疊加，這樣可以得到較穩(wěn)定的信號(hào)。采用點(diǎn)測(cè)模式一般比時(shí)間模式探測(cè)距離要遠(yuǎn)，但時(shí)間模式要比點(diǎn)測(cè)模式信息量豐富。在隧道真實(shí)的環(huán)境中，掌子面圍巖都是凹凸不平的，屏蔽天線有個(gè)特點(diǎn)就是盡量要密貼巖體或者目標(biāo)體，才能采集到較好的信號(hào)，天線點(diǎn)測(cè)挪動(dòng)的距離控制在10cm以內(nèi)，測(cè)線可根據(jù)掌子面實(shí)際情況布置，必要時(shí)加密測(cè)線。

圖1是廣西灰?guī)r地區(qū)某座隧道掌子面采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的點(diǎn)測(cè)模式剖面圖，圖中圓圈標(biāo)示的是溶洞區(qū)域。圍巖原設(shè)計(jì)等級(jí)Ⅲ級(jí)，掌子面圍巖較完整、較平順，節(jié)理也不發(fā)育。但在探測(cè)圖中的掌子面左側(cè)400～620ns區(qū)段，雷達(dá)反射波出現(xiàn)頻率增大，振幅增強(qiáng)，波形雜亂，揭示圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。后開(kāi)挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在左側(cè)發(fā)育有一較大型溶洞，充填有碎石和黏土。溶洞一般雷達(dá)波反射界面會(huì)有弧形繞射的明顯特征，但充填有物質(zhì)的溶洞，弧形被削弱，且伴有大范圍的震蕩，類似于溶蝕破碎帶特征。

隧道初支和二襯檢測(cè)是施工期間檢測(cè)項(xiàng)目。初期支護(hù)一般采用900MHz或更高頻率的天線，檢測(cè)噴射混凝土厚度、密實(shí)性、脫空及背后空洞情況。二襯采用400HMz或900MHz天線檢測(cè)厚度、脫空或空洞情況。

圖2是某隧道二襯檢測(cè)中拱腰部位測(cè)線的一段雷達(dá)剖面圖，采用900MHz天線，圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)Ⅲ級(jí)，二襯設(shè)計(jì)厚度35cm。25cm標(biāo)尺深度的層面是二襯混凝土自由表面，80cm附近標(biāo)尺深度的彎曲層面是二襯和初支的分界層面，二襯介電常數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定值為7.6。該段隧道Ⅲ級(jí)圍巖由于光面爆破超挖控制情況有好有壞，檢測(cè)出的厚度變化差異較大，但都能滿足質(zhì)量規(guī)范要求。初支二襯由于設(shè)計(jì)的襯砌類型不同，比如有些初支含有鋼支撐或不含鋼支撐，有些二襯含有單層或雙層鋼筋等，檢測(cè)工況亦會(huì)有不同，要具體環(huán)境具體分析。

2.2地質(zhì)雷達(dá)在港口碼頭檢測(cè)中的應(yīng)用

港口碼頭經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)使用后，需要探明軟弱地層對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是有效的手段，類似于路基路面的探測(cè)，只是深度范圍要求更大。軟弱地層的介電性與周圍地層存在差異，會(huì)產(chǎn)生較明顯的電磁波反射。港口碼頭由于要探測(cè)較大深度，電磁波亦衰減得更大，一般采用100MHz或200MHz天線探測(cè)。100MHz天線在介電常數(shù)值取7的情況下1/4波長(zhǎng)大小是0.283米，大于等于這個(gè)厚度的層一般在剖面圖片上能識(shí)別出層厚。對(duì)于更細(xì)薄的層，雷達(dá)也是有反射特征的，能找出大概的位置，只是厚度難以劃出。

2.3地質(zhì)雷達(dá)在路基路面檢測(cè)中的應(yīng)用

路面厚度是驗(yàn)收中的重要指標(biāo)，地質(zhì)雷達(dá)可以進(jìn)行路面厚度的識(shí)別，在檢測(cè)中可以降低費(fèi)用成本，提高工作效率及路面評(píng)價(jià)的整體范圍，優(yōu)勢(shì)較為明顯。路面為層狀結(jié)構(gòu)，各層間的材料具有一定的介電性差異，正常路面結(jié)構(gòu)層雷達(dá)圖像一般大致呈水平方向延展，資料處理中要進(jìn)行水平濾波處理，水平濾波能濾掉水平狀的隨機(jī)干擾信號(hào)，突出顯示路面反射層狀。雷達(dá)采集路面數(shù)據(jù)時(shí)，有一些氣候上的條件限制，不要在下雨和路面較濕潤(rùn)的時(shí)候采集，要保證路面是干的。圖3為某高速公路瀝青路面的厚度檢測(cè)，路面設(shè)計(jì)總厚度18cm，使用中國(guó)電波傳播研究所LTD-2200型地質(zhì)雷達(dá)，天線是1500MHz喇叭式空氣耦合天線，離路面45cm左右高度。在幾處路面鉆孔標(biāo)定瀝青介電常數(shù)為5.8，這樣瀝青層電磁波波速為0.1246m/ns。

圖3所示，位于0.10m標(biāo)尺深度范圍的是瀝青頂層界面，位于0.28m標(biāo)尺深度附近的層是瀝青層的下界面。測(cè)得瀝青層厚度集中在18～20cm范圍。實(shí)測(cè)厚度與抽取的幾個(gè)鉆孔芯樣實(shí)際厚度相符合。市政道路路基路面病害檢測(cè)是目前地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用較為成熟的一個(gè)領(lǐng)域。路基路面的主要病害形式是脫空、疏松和沉陷等，探測(cè)路基土一般采用400MHz或200MHz天線。400MHz天線時(shí)主機(jī)選擇50ns左右窗口長(zhǎng)度，探測(cè)深度一般在1～3m，探測(cè)時(shí)要仔細(xì)規(guī)劃好測(cè)線布置。為了加快檢測(cè)進(jìn)度，可以制作一個(gè)檢測(cè)小拖車用來(lái)放置400MHz天線，掛在汽車尾部拉著前進(jìn)，天線盒子底面距路面10cm左右為宜，可避免磨損天線設(shè)備。

圖4是某市政道路的雷達(dá)探測(cè)剖面圖。0.25m標(biāo)尺深度是路面頂面，1m標(biāo)尺左右區(qū)域，雷達(dá)反射波能量和振幅都增強(qiáng)，雷達(dá)波頻率變低，波形紊亂，表明路面下方這一區(qū)域路基松散，局部區(qū)域沉陷，這是市政路常見(jiàn)的病害情況。

結(jié)語(yǔ)：地質(zhì)雷達(dá)屬于精密探測(cè)設(shè)備，目前行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有專門的計(jì)量單位進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)定認(rèn)證，使用單位要做的就是多做比對(duì)試驗(yàn)和設(shè)備定期維護(hù)保養(yǎng)，確保雷達(dá)處于正確的工作狀態(tài)。隨著國(guó)家交通工程領(lǐng)域逐步推廣和實(shí)施“品質(zhì)工程”建設(shè)，相信地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)今后將會(huì)具有更廣闊的應(yīng)用空間。

參 考 文 獻(xiàn)

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