摘 要：地質(zhì)雷達技術(shù)因其快速、準確、無損等優(yōu)點，近年在我國高速公路和鐵路領(lǐng)域得到廣泛運用。本文簡要介紹了地質(zhì)雷達的原理，闡述了地質(zhì)雷達在鐵路路基壓實效果無損檢測中的應(yīng)用情況，通過對地質(zhì)雷達現(xiàn)場典型譜圖分析研究，得出利用地質(zhì)雷達檢測路基壓實質(zhì)量的分析方法與技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達；鐵路路基；檢測；地質(zhì)雷達圖譜

The Application of GPR in Railway Earh Structure Engineering and Research on Data Analysis of GPR

DENG Guo-bing

（Construction Company of China Railway No.8 Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu611731，China ）

Abstract：Because of its fast， accurate， non-destructive and other advantages， GPR has been widely used in the field of highway and railway in China in recent years.This paper briefly introduces the principle of GPR ， expounds the application of GPR in non-destructive testing of the compaction effect of railway earh structure engineering， and through the analysis and research on the typical spectrum of GPR ， obtains the analysis method and technology of detecting the compaction quality of earh structure engineering by using GPR .

Key words：GPR，Railway earh structure engineering，Testing，Geological radar map

前言

路基工程是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵工程之一，路基壓實質(zhì)量是保障鐵路平穩(wěn)性以及運營安全性的關(guān)鍵控制因素。無論是鐵路的基床表層、基床底層和路堤本體，還是公路的路基、基層、底基層以及面層都對壓實系數(shù)均有嚴格的要求，為保證路基具有承載滿足一定靜動荷載的能力，使路基沉降量滿足設(shè)計規(guī)范要求，鐵路線具有良好的路基填筑質(zhì)量是必不可少的安全控制要求。隨著高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，鐵路運行速度的提高，對路基壓實質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的檢測路基方法一般采用局部檢測結(jié)果代替整體路基壓實質(zhì)量，具有局限性，檢測過程易受天氣環(huán)境影響，操作費力、費時，檢測周期長。利用地質(zhì)雷達法檢測鐵路路基，是一種快速、簡便、無損的檢測方法，實踐證明，此項技術(shù)能滿足工程質(zhì)量檢測的實際要求。

1.檢測原理

地質(zhì)雷達是利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理勘探儀器，技術(shù)上屬于電磁波法的范疇，它是一種新型的使用天線發(fā)射高頻無線電波來探測地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和埋于地下目標結(jié)構(gòu)物的無損方法。

地質(zhì)雷達由發(fā)射天線、接收天線、信號接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)組成。地質(zhì)雷達工作時，在雷達主機控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號，并直接饋給發(fā)射天線，經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體（面）時，產(chǎn)生反射信號。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C，信號在接收機經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_主機，經(jīng)處理后，傳輸?shù)轿C。在微機中對信號依照幅度大小進行分析處理，并以彩圖或灰度圖和電磁波形圖的方式顯示出來，以此判斷地下目標的深度、大小和方位等特性參數(shù)。

2.檢測參數(shù)設(shè)置

在進行地質(zhì)雷達探測任務(wù)前，都需要對探測環(huán)境以及探測目標體特性進行初步的了解和剖析。探測參數(shù)的選擇也關(guān)系到探測的效果，探測參數(shù)包含天線中心頻率、時窗、采樣率、測點點距與發(fā)射及接受天線間距。測試前必須設(shè)置好參數(shù)，以期達到最好的檢測效果。

2.1 地質(zhì)雷達天線中心頻率選擇

根據(jù)需要檢測路基厚度及檢測要求選擇合適頻率的天線。頻率高的天線發(fā)射雷達波主頻高、分辨率高，精度較高，能量衰減較快，探測深度較淺；頻率低的天線發(fā)射雷達波主頻低、分辨率低，精度較低，能量衰減較慢，探測深度較深。

天線中心頻率要綜合考慮空間分辨率、非均勻體干擾以及探測深度后進行選擇。分析每一個因素后都會得出一個中心頻率計算公式。

a） 在滿足分辨率且場地條件下，應(yīng)盡量使用較低的中心頻率天線：

式中： —天線中心頻率（MHz）；x—空間分辨率（m）；εr —圍巖相對介電常數(shù)。

b） 在現(xiàn)場檢測時，多受到非均勻體的干擾，頻率越高時干擾程度越大，適當降低頻率，可提高較大目標體的響應(yīng)，減少非均勻體干擾。此時，天線中心頻率應(yīng)滿足：

式中：△L —非均勻體尺寸（m）。

c） 在考慮探測深度時，天線中心頻率為：

式中：D—探測深度（m）。

2.2 地質(zhì)雷達時窗選擇

時窗的大小主要由最大探測深度和介質(zhì)層電磁波速度決定，則時窗W計算公式如下：

式中：hmax —最大探測深度（m）；v —介質(zhì)層電磁波波速（m/ns）；

為給介質(zhì)層速度和目標深度的變化留出余量，時窗的選值在上式的基礎(chǔ)上增加30%。

2.3 地質(zhì)雷達采樣率選擇

采樣率指記錄反射波采樣點之間的時間間隔。采樣率由奈奎斯特采樣定律控制，即采樣率至少應(yīng)到達記錄的反射波中最高頻率的2倍，當天線中心頻率為f（MHz）時，采樣率△t為：

2.4 地質(zhì)雷達測量點距選擇

在離散測量時，測點點距選擇由天線中心頻率與地下介質(zhì)的介電特性所決定。為保證介質(zhì)的響應(yīng)在空間上不重疊，也遵循奈奎斯特定律，采樣間隔nx（m）：

2.5 地質(zhì)雷達天線間距選擇

適當選取發(fā)射和接受天線的距離，可使分離式天線接收到的目標體回波信號增強。天線間距S：

式中：Dmax —為目標體最大深度。

3.地質(zhì)雷達現(xiàn)場檢測

實施地質(zhì)雷達檢測前應(yīng)對儀器設(shè)備進行檢查，性能正常方可使用。檢測過程中作好現(xiàn)場記錄，對能干擾采集圖譜的物體做好詳細描述，例如檢測車的金屬平臺、壓路機等路基施工機具，及其與發(fā)射天線的距離。檢測中雷達天線始終與檢測面貼合密實，天線沿檢測線方向的移動速度一般取5～8km/h。

4.地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)分析處理與圖譜識別

通過對實測連續(xù)地質(zhì)雷達圖像的分析，可以得出路基土體分布性質(zhì)，進而得到路基在碾壓填筑后的質(zhì)量情況。對地質(zhì)雷達圖像進行分析時，首先要對原始圖譜消除干擾數(shù)據(jù)，干擾數(shù)據(jù)主要來自地形的干擾、天線上方物體的干擾以及天線耦合差的干擾等。然后編輯數(shù)據(jù)塊、距離歸一化、顏色表的選擇、背景消除、區(qū)標記與里程的確定以及區(qū)域增益等等。

本文重點研究了鐵路路基中常見的無缺陷區(qū)域、不密實區(qū)域、空洞區(qū)域、大塊石區(qū)域、軟弱夾層區(qū)域以、細顆粒區(qū)域以及粗顆粒區(qū)域等不同類型圖譜及電磁波的傳播特征，給出各種類型地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)與判定標準。

4.1 無缺陷區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

在無缺陷區(qū)域掃描的地質(zhì)雷達深度剖面圖如圖1所示，經(jīng)分析總結(jié)，該無缺陷區(qū)地質(zhì)雷達特征為：雷達波的同相軸連續(xù)，相對平整，波寬振幅變化較小，反射波能量比較均勻，反射波層分布較為分明清晰，反映了壓實土層較為密實，成層填筑效果較好。

4.2 大塊石區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

在大塊石區(qū)域掃描的地質(zhì)雷達深度剖面圖如圖2所示，經(jīng)分析總結(jié)，該無大塊石區(qū)地質(zhì)雷達特征為：雷達波呈現(xiàn)出雙曲線反射弧特征，因為大塊石和周圍填料介質(zhì)電性差異較大，該區(qū)域的反射比較強烈，反射波振幅較大。大塊石缺陷與空洞缺陷在波形圖中有著顯著的區(qū)別：當電磁波途徑空洞缺陷，波形振相成為反向，而大塊石缺陷的波形振相沒有反向，僅是波幅變大。

4.3 細顆粒區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

在細顆粒區(qū)域掃描的地質(zhì)雷達深度剖面圖如圖3所示，經(jīng)分析總結(jié)，該細顆粒區(qū)地質(zhì)雷達特征為：雷達深度剖面圖中有明顯的反射界面，反射波呈現(xiàn)團塊狀。

4.4 空洞區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

在空洞區(qū)域掃描的地質(zhì)雷達深度剖面圖如圖4所示，經(jīng)分析總結(jié)，該空洞異常區(qū)地質(zhì)雷達特征為：雷達波呈現(xiàn)雙曲線波形特征，且雙曲線頂部能量比較多，反射比較強烈，電磁波反射遇到空洞后出現(xiàn)強反射，波形變得雜亂，并出現(xiàn)相位相反的情況。

4.5 粗顆粒區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

在粗顆粒區(qū)域掃描的地質(zhì)雷達深度剖面圖如圖5所示，經(jīng)分析總結(jié)，該粗顆粒區(qū)地質(zhì)雷達特征為：該異常區(qū)的粗顆粒與路基填料較為相近，因此在雷達剖面圖中沒有明顯的異常反射現(xiàn)象。

4.6軟弱夾層區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

在軟弱夾層區(qū)域掃描的地質(zhì)雷達深度剖面圖如圖6所示，經(jīng)分析總結(jié)，該軟弱夾層區(qū)地質(zhì)雷達特征為：雷達波反射強烈，與正常填筑層界面清晰，反射波并沒嚴重的錯亂、間斷現(xiàn)象，因反射強烈，反射波顯得較為突出；電磁波在軟弱層中被吸收嚴重，電磁波衰減程度較大，下部反射能量被嚴重削減，所以雷達圖像中軟弱夾層下部分辨率下降，比較模糊。

4.7 不密實區(qū)域地質(zhì)雷達圖譜的識別技術(shù)

通過分析該區(qū)域地質(zhì)雷達深度剖面灰度圖和電磁波波形圖，該不密實區(qū)地質(zhì)雷達特征為：雷達反射波同相軸錯亂，出現(xiàn)間斷，而且有很多分支且無規(guī)則，該區(qū)域的波寬變窄，出現(xiàn)了錯亂的團塊狀或條帶狀雷達波反射，反射也較為強烈。電磁波反射在遇到不密實區(qū)反射突然變得強烈，振幅變大。

5結(jié)語

通過地質(zhì)雷達在鐵路路基檢測的應(yīng)用與分析研究，有以下幾點體會：

1、地質(zhì)雷達技術(shù)是一種快速、精確和安全無損的檢測技術(shù)，它可以對鐵路路基施工質(zhì)量做出精確、客觀的評價，在工程建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、根據(jù)檢測的目標體選擇合適的天線中心頻率、時窗、采樣率、測點點距與發(fā)射及接受天線間距等技術(shù)參數(shù)至關(guān)重要，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置準確與否將直接影響原始數(shù)據(jù)，并且能在數(shù)據(jù)分析判定中減少誤差。

3、地質(zhì)雷達檢測能夠準確識別鐵路路基填筑中的各種缺陷（如：不密實、空洞、粗細顆粒堆積、軟弱夾層等），將為現(xiàn)場施工把好質(zhì)量關(guān)。

4、本文初步給出了7類鐵路路基典型缺陷的地質(zhì)雷達圖譜識別技術(shù)，其他情況下地質(zhì)雷達圖像的解析與判定，仍需積累大量的實踐經(jīng)驗。

作者簡介：

鄧國兵（1979-），男，廣西桂林人。高級工程師，本科，主要從事工程試驗研究與測試工作。