劉興遠，劉立軍，封承九，王武彪

（1重慶市建筑科學研究院，重慶 400016；2重慶市綦江區(qū)建設委員會，重慶 401420）

0 引言

雷達是人類在20世紀電子工程領域的一項重大發(fā)明。第一次世界大戰(zhàn)期間，軍用飛機出現(xiàn)，一些國家在抵御它的進攻時遇到了巨大的困難。為此，有的科學家開始研制一種遠距離尋找飛機的儀器，1935年英國著名的物理學家、國家物理研究所無線電研究室主任沃特森·瓦特在此基礎上發(fā)明了一種既能發(fā)射無線電波，又能接收反射波的裝置，它能在很遠的距離就探測到飛機的軌跡，這就是世界上第一臺雷達。由于航空雷達在第二次世界大戰(zhàn)中的輝煌戰(zhàn)績，戰(zhàn)后各軍事強國都加速發(fā)展自己的雷達技術，且把軍用雷達推廣到民用領域，發(fā)展了探地雷達。

探地雷達技術（相對于探空雷達）起源于德國科學家在研究埋地特性時的專利技術，直到20世紀60年代末、70年代初，等效采樣技術和亞納秒脈沖產生技術的發(fā)展，從技術角度加速了探地雷達的發(fā)展。探地雷達自上世紀70年代開始應用，至今已經40多年了，隨著對探地雷達技術的不斷開發(fā)，其應用領域逐漸擴大，在考古、建筑工程、市政工程、鐵路、公路、隧道、水利、電力、采礦各領域都有重要的應用，解決場地勘查、線路選擇、工程質量檢測、病害診斷、超前預報、地質構造研究等問題。

探地雷達方法是利用高頻電磁波（主頻為106～109Hz或更高）以寬頻帶短脈沖形式由地面或結構體通過發(fā)射天線送入介質內部，電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度及波形隨所通過的介質的電性性質及界面幾何形態(tài)而變化，經目標體的反射后回到表面，由接收天線接收回波信號。根據接收的反射回波的雙程走時、波幅、頻率、相位等信息，對介質的內部結構進行判釋的一種方法。

探地雷達已廣泛應用到土木工程中，為了更好地應用雷達檢測技術，我國不同行業(yè)制定了相應的技術標準[1—4]，為了將雷達檢測技術應用到混凝土結構施工質量檢測領域，需制定相應的檢測技術標準。

1 《雷達法檢測混凝土結構質量技術標準》的編制背景

雷達檢測法屬無損檢測技術，目前探地雷達已廣泛應用到巖土工程多個方面，其主要應用方向如下：①在工程地質勘察中確定基巖頂面的埋深，探測基巖中的洞穴及斷層、裂隙結構，調查與研究第四系活動斷層；②對人工建筑物、道路及機場跑道、填方等工程施工質量進行無損檢測，以對其現(xiàn)狀進行評價；③探查人工挖孔樁樁底是否存在溶洞及基巖頂面的埋深；④對各類隧道的施工中地質超前預報和襯砌施工質量檢測；⑤調查公路、鐵路及城市、礦山等的地面塌陷成因及預測潛在的塌陷區(qū)范圍；⑥調查山體滑坡、堤岸崩塌等地質災害的成因及特征；⑦在城市建設中用于地下管線探測。我國已頒布了一些行業(yè)標準[1—4]，這些技術標準推動了探地雷達檢測技術的應用。

根據探地雷達的探測原理，在建筑結構中，雷達可探測的項目有：鋼筋的分布、結構分層、板厚度、混凝土內部缺陷等。目前工程應用中，對于鋼筋分布、樓板厚度、混凝土內缺陷分布則只能分別采用鋼筋探測儀、樓板厚度測試儀以及非金屬超聲波檢測儀進行單項指標的檢測，探地雷達設備可同時完成上述項目的檢測。雷達相對于其他儀器具有準確性、直觀性（現(xiàn)場成圖）和操作簡便等特點，當只有一個探測面時，雷達檢測也可實現(xiàn)，因此雷達技術在建設工程質量檢測中得到越來越廣泛的應用。

重慶直轄以來，建筑產業(yè)快速發(fā)展，建筑面積逐年增加，建筑工程質量問題備受關注。雷達檢測法以其快速、無損、適應性強、檢測結果直觀等特點而日趨廣泛地應用于建設工程質量檢測中，縱觀重慶市建筑檢測行業(yè)，目前雷達檢測尚無一個技術標準可以依據，無疑限制了雷達檢測技術的發(fā)展和應用。因此，制定雷達法檢測技術標準，規(guī)范雷達檢測的操作程序和方法，既是技術發(fā)展的需要，也是保證檢測質量的需要。為此，2010年重慶市城鄉(xiāng)建設委員會在《關于印發(fā)2010年工程建設標準制訂、修訂計劃項目計劃的通知》中批準了該技術標準制訂工作。

2009年南京工業(yè)大學制訂了江蘇省地方標準 《雷達法檢測建設工程質量技術規(guī)程》[5]DGJ32/TJ 79-2009。2013年住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的 《關于印發(fā)2013年工程建設標準規(guī)范制訂、修訂計劃的通知》批準了由南京工業(yè)大學、江蘇大漢建設實業(yè)集團有限責任公司會同有關單位完成工程建設行業(yè)標準《雷達法檢測混凝土結構技術規(guī)程》的立項申請，2014年12月16日住房和城鄉(xiāng)建設部組織專家在南京工業(yè)大學召開了規(guī)程送審稿審查會，并通過了專家審查，但目前《雷達法檢測混凝土結構技術規(guī)程》行業(yè)標準暫未頒布實施。

2 雷達法檢測混凝土結構質量技術標準的適用范圍及特點

重慶市 《雷達法檢測混凝土結構質量技術標準》DBJ50/T-289-2018（備案號：J14185-2018）由重慶市城鄉(xiāng)建設委員會發(fā)布，該標準于2018年5月1日起實施。為此，作者簡要介紹其適用范圍、特點及使用中注意的問題。

探地雷達探測技術應用的前提是探測目標體與周圍介質存在明顯的電性差異，應用效果直接受介電常數、電導率、發(fā)射頻率等參數影響?；炷僚c鋼筋、空氣、巖土體、水等的介電常數差異較大，因此，標準第1.0.2條規(guī)定：“本標準適用于雷達法檢測混凝土結構中的鋼筋及其他內部埋設物數量及位置、構件截面尺寸和混凝土內部缺陷?！?/p>

目前工程實踐、實驗室試驗和理論分析，認為雷達法檢測技術較為成熟的檢測項目有：混凝土構件中的鋼筋數量及位置，混凝土構件截面尺寸（含變截面、分層厚度）、混凝土內埋設物的檢測（如預埋管線）及混凝土構件內部密實性（含缺陷，因雷達天線配置不同，識別缺陷的能力有較大差異）。對其他項目的檢測，可按文獻[1]—文獻[4]等行業(yè)標準的規(guī)定執(zhí)行；當多層材料的介電常數差異較大時，如外墻設有保溫層，通過比對試驗，也可采用雷達法檢測各分層材料的厚度。

標準第3章強調了雷達檢測設備及參數選擇，特別應該注意的是第3.2.1條規(guī)定，根據待檢測目標體的埋置深度宜按標準第3.2.1條中表3.2.1選擇雷達天線中心頻率，否則檢測數據及數據分析結果真實性和有效性難以保證。

天線中心頻率的選擇直接影響到工程探測項目的檢測效果，常用雷達天線頻率范圍100～2500MHz，其中低頻段可用于較大深度的目標體的探測；混凝土結構構件檢測中天線頻率主要集中在200MHz以上的高頻率段，因此正確、合理地選擇天線中心頻率至關重要。在本標準第5.3.2條中規(guī)定檢測報告應給出雷達檢測系統(tǒng)所設參數，待檢目標體的物理特性、幾何參數，根據檢測單位所配雷達檢測系統(tǒng)參數，可初步判斷雷達檢測系統(tǒng)是否可以檢出待檢參數。

雷達天線中心頻率選取的經驗如下：

式中：x為垂直分辨率(單位：m)；εr為材料相對介電常數；f為雷達天線中心頻率（單位：MHz）。據此，可確定天線中心頻率與垂直分辨率的定性關系（表1）。

表1 垂直分辨率與中心頻率的定性關系（標準中第3.2.3條條文解釋）

由此表可知：為獲得較高的垂直分辨率，雷達天線宜選擇高頻天線。若需分辨率為20mm，天線主頻宜為2500MHz；探測混凝土鋼筋時雷達天線中心頻率宜高于1000MHz；檢測混凝土保護層厚度時，為達到探測精度0.5mm中心頻率宜高于5000MHz。目前，還未生產中心頻率高于5000MHz的探地雷達天線，為此，本標準標第4.2.3條第4款規(guī)定：雷達檢測系統(tǒng)軟件識別保護層厚度精度不宜低于1mm。此表說明，雷達探測混凝土保護層厚度的精度存在問題，其精度一般難于滿足現(xiàn)有施工質量驗收標準要求，如混凝土板保護層厚度一般為15mm，用探地雷達檢測混凝土樓板的保護層厚度欠妥。

本標準第3.2.1條中的表3.2.1給出了混凝土結構（構件）中目標探測深度（距離）與部分代表性單天線中心頻率范圍的關系，為便于實際工程應用，可根據工程中預估的目標探測深度或距離直接查表3.2.1選取雷達天線的中心頻率。一般混凝土構件的截面高度或厚度小于5m，因此，本表（表1）僅給出了目標探測深度在5m以內的中心頻率選擇建議，當目標探測深度大于5m時，應根據實際情況，選擇合適的雷達天線中心頻率。

關于探測深度（距離）和天線頻率之間的關系，介質特性對探測深度有較大影響，高衰減介質中的探測深度比低衰減介質中的探測深度要淺，在同樣可以滿足分辨率要求的情況下，低頻天線可實現(xiàn)更深的探測深度，因而該經驗關系在各測試深度（距離）分界點允許一定程度的頻率交叉范圍。天線陣列式雷達的探測能力由其天線的中心頻率、數量和天線布置形式等參數決定。不同雷達產品公司生產的雷達產品采取不同頻率的主頻的天線組合而成天線陣，通過天線陣檢測數據分析軟件可獲得較好的檢測效果，如喜利得PS1000采用3個主頻的天線組合成的天線陣，其檢測樓板鋼筋間距效果較好，也可識別上下層鋼筋錯位50mm的雙層鋼筋。

本標準第3.2.6條中的表3.2.6給出了常見材料的介電常數。

根據v=λ×f，天線的中心頻率越高，波長越短，因而所能達到垂直分辨率越高，探測深度相同的含義是指能保證同樣的目標體識別能力，不同頻率的天線其探測深度、分辨率不同。天線頻率越高，其探測分辨率越高，探測深度（距離）越小，即天線頻率與分辨率成正比，與探測深度（距離）成反比，應根據實際工程中具體的探測深度（距離）選擇合適的天線中心頻率。公式（1）中的分辨率x指的是雷達的垂直分辨率，其理論值一般取0.5倍波長，公式（1）反映的是它與天線中心頻率及材料相對介電常數之間的關系。

根據v=λ×f，將公式（1）及x=λ/2代入v=λ×f得：v=300/（εr）1/2（本公式波速的量綱為mm/ns），當介質單一時，可采用測量電磁波速的方法，估算介質相對介電常數；也可根據常見材料的介電常數，估算電磁波在介質中的傳播速度，再根據材料厚度，可以預判雷達電磁波在材料中傳播的時程，預判材料內的缺陷情況。

理解了本標準第3.2.1條、第3.2.5條及第3.2.6條，就初步把握了雷達法檢測混凝土質量的關鍵點。例如，若檢測400mm厚筏板基礎、配筋、混凝土保護層厚度及施工缺陷，如何選擇雷達天線？根據本標準表3.2.1，天線主頻宜選為1000～2000MHz，實際操作時可選2種主頻天線分別獲得檢測數據，并對相應的檢測數據進行比對。測量基礎板厚度可選相對較低的頻率，如1000MHz天線，若檢測上部配筋及保護層厚度宜選2000MHz天線，若探測板底層鋼筋可選低頻天線。選擇其他主頻的天線其測量效果可能欠佳，如選200MHz天線。故此，在檢測報告中應給出雷達所配的天線主頻。若檢測基礎板中所埋管線，如管線直徑為25mm，根據管線埋置深度選擇天線，若埋置深度在200mm左右宜選用主頻為2000MHz以上的天線，主頻天線越低，分辨率相對越差；若選擇1000MHz主頻天線，檢測混凝土內部缺陷大小，當其缺陷大小當量小于50mm，理論上講雷達所匹配的天線，無法完成檢測任務；若選擇200MHz天線，考慮其垂直分辨率為0.3～0.5倍波長，則其分辨垂直向缺陷的大小為150～250mm，換言之，小于150mm的缺陷，雷達匹配此天線將無法識別；使用本標準附錄A時，也應注意此點。

3 結語

雷達法檢測效果的可靠性不僅與雷達檢測系統(tǒng)的配置等因素有關，還受檢測環(huán)境條件及先驗知識的制約。雷達法檢測前應充分了解被測對象的基本資料，如地質勘察資料、施工圖，設計變更、竣工圖，檢測資料及已往工程變更、修復、處理記錄等，需調查待檢工程周邊環(huán)境情況，如已有埋設物位置、方向及電磁特性等，初步判斷已有環(huán)境條件對檢測數據的影響，有助于后期根據剖面圖進行數據解釋，編制合理的、可操作的現(xiàn)場專項檢測方案。

雷達檢測技術還在不斷發(fā)展中，如雷達天線陣布設與搭配，雷達檢測數據的分析技術等，在使用《雷達法檢測混凝土結構質量技術標準》DBJ50/T-289-2018過程中，若存在意見或建議，請及時向主管部門或主編單位重慶市建筑科學研究院反映，以便編制單位根據雷達檢測技術的發(fā)展及應用，及時修編相應的技術條款。