鄧 瑞

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756)

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)，又稱(chēng)地質(zhì)雷達(dá)，是一種通過(guò)電磁波在介質(zhì)內(nèi)部的傳播規(guī)律從而推測(cè)介質(zhì)分布規(guī)律或內(nèi)在結(jié)構(gòu)的一種淺層物探方法。探地雷達(dá)采用高頻脈沖電磁波進(jìn)行探測(cè)，相比較于傳統(tǒng)的地球物理方法，其探測(cè)過(guò)程有更高的效率，探測(cè)結(jié)果也具有更高的分辨率[1]。正是由于探地雷達(dá)技術(shù)具有高效率、高分辨率、無(wú)損、直觀的特點(diǎn)，其在工程探測(cè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。從目前探地雷達(dá)的應(yīng)用情況看，探地雷達(dá)在工程探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有[2]：公路及鐵路工程探測(cè)領(lǐng)域、水利工程探測(cè)領(lǐng)域、橋梁工程探測(cè)領(lǐng)域，如公路鐵路路基質(zhì)量檢測(cè)、隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及襯砌質(zhì)量檢測(cè)、水利工程隱患檢測(cè)、橋梁工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)及缺陷評(píng)價(jià)等。利用探地雷達(dá)進(jìn)行工程領(lǐng)域的探測(cè)與評(píng)價(jià)，可提高工程施工效率，為施工方合理安排施工方案與施工進(jìn)度起到了指導(dǎo)作用。

1 探地雷達(dá)探測(cè)原理簡(jiǎn)介

探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射天線、接收天線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制系統(tǒng)構(gòu)成。探地雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖，垂直入射到地下各結(jié)構(gòu)層，電磁波會(huì)在電性界面及異常體處產(chǎn)生反射，探地雷達(dá)接收天線就可接收到不同時(shí)間到達(dá)的回波，每個(gè)回波對(duì)應(yīng)一定深度的結(jié)構(gòu)層界面或目標(biāo)異常體，在一個(gè)測(cè)點(diǎn)上得到的一個(gè)完整波形，稱(chēng)一個(gè)掃描線，包含了對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的反射波的振幅、頻率、相位及雙程旅行時(shí)間等信息。當(dāng)利用探地雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試時(shí)，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)掃描線堆積在一起，就得到連續(xù)剖面圖，即探地雷達(dá)圖像(圖1)。對(duì)原始測(cè)量得到的探地雷達(dá)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)處理后得到的雷達(dá)剖面圖像進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)解釋?zhuān)涂梢缘秒娦越缑嫖恢谩⒔Y(jié)構(gòu)層厚度及目標(biāo)體的分布規(guī)律。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意

2 探地雷達(dá)在公路工程中的應(yīng)用

不論是在公路的建設(shè)還是公路的維護(hù)階段，探地雷達(dá)都發(fā)揮了重要的作用。在建設(shè)施工階段，探地雷達(dá)可用于基巖潛水面的確定、斷層裂縫的識(shí)別、富含水地段的標(biāo)定以及公路隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，為公路的線路設(shè)計(jì)及施工方案的選取提供資料；在后期驗(yàn)收和維護(hù)階段，探地雷達(dá)可用于路基各結(jié)構(gòu)層厚度的檢測(cè)、隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)、公路病害隱患的探測(cè)，為公路的施工質(zhì)量的評(píng)價(jià)以及后期的維護(hù)提供依據(jù)。以下就探地雷達(dá)在公路工程中的部分應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)

由電磁波在路面結(jié)構(gòu)層的傳播時(shí)間和面波結(jié)構(gòu)層內(nèi)的傳播速度可通過(guò)公式計(jì)算出路面結(jié)構(gòu)層的厚度。因此，厚度檢測(cè)的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)層界面的回波時(shí)間以及電磁波在結(jié)構(gòu)層傳播速度的確定。圖2為探地雷達(dá)檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)層厚度的原理示意圖[3]。圖中，A0、A1、A2分別表示電磁波在空氣與面層界面產(chǎn)生的反射波波幅、電磁波在面層與基層界面產(chǎn)生的反射波波幅、電磁波在基層與土基界面產(chǎn)生的反射波波幅；從A0到A1波幅的傳播時(shí)間Δt1即為電磁波在面層中的雙程旅行時(shí)間，而從A1到A2波幅的傳播時(shí)間Δt2即為電磁波在基層-中的雙程旅行時(shí)間。

圖2 探地雷達(dá)結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)原理示意

結(jié)構(gòu)層厚度可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：H表示結(jié)構(gòu)層厚度，Δt表示電磁波傳播的雙層旅行時(shí)間，c表示光速，εr表示結(jié)構(gòu)層內(nèi)物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

該計(jì)算式中主要需要確定的參數(shù)為εr和Δt，Δt可根據(jù)雷達(dá)信號(hào)目標(biāo)結(jié)構(gòu)層上下界面反射波回波時(shí)間差確定，而相對(duì)介電常數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中并不能保證是一個(gè)定值，可通過(guò)反射波波幅的變化進(jìn)行求取，也可在施工過(guò)程中采用介電常數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，或者對(duì)鉆孔取芯巖土進(jìn)行室內(nèi)速度標(biāo)定。確定了結(jié)構(gòu)層的雙層旅行時(shí)間和相對(duì)介電常數(shù)就可以根據(jù)式(1)進(jìn)行結(jié)構(gòu)層厚度的計(jì)算。

2.2 空洞及脫空識(shí)別

在公路的長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于多種因素的作用下，會(huì)形成基層與填土層之間的脫空、路面下空洞以及瀝青層剝落等影響公路使用壽命的病害，探地雷達(dá)可有效的識(shí)別這些工程病害。

探地雷達(dá)對(duì)空洞的識(shí)別原理基于空洞介質(zhì)與周?chē)渌橘|(zhì)存在較大的相對(duì)介電常數(shù)的差異，空洞在探地雷達(dá)剖面圖上的異常通常呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)，尤其當(dāng)空洞中介質(zhì)為空氣且空洞埋深不大時(shí)，空洞在雷達(dá)剖面圖上會(huì)出現(xiàn)明顯的異常特征。而對(duì)脫空層進(jìn)行識(shí)別主要是根據(jù)在脫空層上下界面產(chǎn)生的反射波極性發(fā)生反轉(zhuǎn)這一原理。如圖3所示，左側(cè)圖像顯示剛性路面下有空隙存在，右側(cè)圖像為其對(duì)應(yīng)的反射波波形，其中，反射波 A產(chǎn)生于混凝土與空氣界面的反射，反射波 B 是由于空氣與基層界面的反射而形成，反射波 C則是反射波A 與反射波B的疊加，在探地雷達(dá)儀器上最終顯示的波形即反射波 C，由于反射波A與反射波B 的反射系數(shù)正負(fù)不同,導(dǎo)致兩反射波相位(極性)發(fā)生反轉(zhuǎn)。確定出反射波的時(shí)差，即可通過(guò)公式計(jì)算空洞的相關(guān)參數(shù)。

圖3 探地雷達(dá)進(jìn)行脫空識(shí)別原理示意

2.3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

探地雷達(dá)可對(duì)隧道施工掌子面前方圍巖中的斷層、裂縫、破碎帶、空洞、地下水等不良地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可為施工方合理安排掘進(jìn)方案、掘進(jìn)速度和支護(hù)措施提供依據(jù)。當(dāng)隧道前方巖層中由于有斷裂、破碎帶或空洞等不良地質(zhì)體存在時(shí)，不良地質(zhì)體與完整圍巖間存在較大的電性差異，有明顯的介電常數(shù)變化，在雷達(dá)剖面圖上形成反射波同相軸不連續(xù)的強(qiáng)反射異常。圖4顯示的是四川某隧道某處掌子面水平測(cè)線反射波波形堆積圖像[4]，縱軸距離即代表掌子面深度。從圖像可知，縱軸距離0～3 m間圖像中有幅度值較強(qiáng)的波形顯示，該波形主要包括直達(dá)波及震源附近松動(dòng)區(qū)所產(chǎn)生的強(qiáng)反射波，縱軸距離3～11m間，反射波信號(hào)較弱，說(shuō)明該段內(nèi)巖石相對(duì)較穩(wěn)定，而在縱軸距離11～27 m間，波形出現(xiàn)多組高頻強(qiáng)反射波，且其同相軸錯(cuò)亂不連續(xù)，說(shuō)明該段存在多組電性差異界面且不連貫，因此推斷該深度范圍內(nèi)圍巖巖石節(jié)理裂隙較為發(fā)育，施工工程易出現(xiàn)落實(shí)甚至崩塌等危險(xiǎn)，應(yīng)提前做好應(yīng)對(duì)措施。

圖4 某隧道掌子面反射波形圖像

2.4 隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)

隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的內(nèi)容包括隧道襯砌厚度、襯砌背后未填實(shí)的空區(qū)、復(fù)合式襯砌間較大的空隙，襯砌混凝土的密室程度等。隧道襯砌厚度的檢測(cè)原理與結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)原理類(lèi)似，通過(guò)確定襯砌中電磁波的傳播速度或襯砌介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電磁波的雙程旅行走時(shí)利用式(1)進(jìn)行襯砌厚度的計(jì)算[5]。與結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)不同的是，襯砌厚度往往較小，因此盡管可能襯砌與圍巖存在較大的電性差異，雷達(dá)反射波剖面圖上異常顯示不是非常明顯，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及與現(xiàn)場(chǎng)資料對(duì)比進(jìn)行仔細(xì)識(shí)別。隧道襯砌脫空檢測(cè)原理與前述公路路基脫空檢測(cè)原理類(lèi)似，利用脫空上下兩個(gè)界面產(chǎn)生的兩次強(qiáng)反射波的相關(guān)波形特征可確定空洞的分布及其到襯砌外表面的距離。但有時(shí)脫空所形成的異常與圍巖局部的凸起形成的異常相近，因此確認(rèn)是否為脫空時(shí)，要對(duì)異常形態(tài)加以細(xì)致的分析和確認(rèn)。在施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)超挖或坍塌形成的空區(qū)進(jìn)行回填，而探地雷達(dá)對(duì)回填的密室程度具有明顯的相應(yīng)特征。在回填欠密室區(qū)域，探地雷達(dá)圖像上通常出現(xiàn)反射相位不連續(xù)強(qiáng)反射信號(hào)，可以此為特征判斷欠密室區(qū)域進(jìn)行回填。在利用探地雷達(dá)進(jìn)行混凝土密實(shí)度評(píng)價(jià)時(shí)，可根據(jù)探地雷達(dá)反射波的波形變化特征將襯砌混凝土分為密室和相對(duì)不密室。密室時(shí)，反射波相位穩(wěn)定，層內(nèi)沒(méi)有強(qiáng)振幅的雜亂反射，而不密室時(shí)，反射波振幅變化較大，相位不穩(wěn)定，波形雜亂。

2.5 鋼筋分布及混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)

與探測(cè)其他目標(biāo)體一樣，鋼筋與周?chē)橘|(zhì)存在的較大的電性差異為探地雷達(dá)的探測(cè)提供了良好的探測(cè)條件。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)鋼筋時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的反射振幅，反射相位也相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)，應(yīng)該注意探地雷達(dá)的中心頻率的選取，以防止橫向分辨率過(guò)低造成相鄰目標(biāo)體識(shí)別發(fā)生混亂現(xiàn)象。圖5為某在建大橋沿橋墩某測(cè)線經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的探地雷達(dá)圖像[6]，從圖5中可以清晰地識(shí)別鋼筋數(shù)量，從而可以與設(shè)計(jì)數(shù)量相比較判斷是否符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可根據(jù)反射回波的雙程旅行走時(shí)和電磁波在混凝土中傳播的速度或混凝土的介電常數(shù)，利用式(1)可計(jì)算出主筋的保護(hù)層厚度，從而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 某大橋沿橋墩某測(cè)線探地雷達(dá)圖像

3 存在的問(wèn)題及分析

探地雷達(dá)在上述眾多方面中的應(yīng)用表明其在地下隱患無(wú)損檢測(cè)及工程質(zhì)量檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，并能在相對(duì)較差的測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行探測(cè)。同時(shí)，與其它地球物理方法相比，其采用高頻脈沖電磁波使其具有更高的分辨率。然而，探地雷達(dá)在實(shí)際使用中仍然存在局限性。首先，探地雷達(dá)雖然相比其它地球物理方法操作更便捷，但在某些復(fù)雜惡劣環(huán)境中施工仍耗時(shí)耗力，如在長(zhǎng)距離隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中，目前大多是在支撐架進(jìn)行拱頂?shù)娜斯べ|(zhì)量檢測(cè)，此方法危險(xiǎn)、效率不高，且由于人工原因難以保證雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和連續(xù)性；又如鐵路路基的檢測(cè)中，由于鐵路路基較長(zhǎng)，人工進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，若在已通車(chē)段進(jìn)行檢測(cè)，還存在一定危險(xiǎn)性，針對(duì)前者，可借鑒機(jī)械工程中各種已有便捷結(jié)構(gòu)應(yīng)用于探地雷達(dá)儀器中，既提高檢測(cè)效率，又實(shí)現(xiàn)隧道頂部質(zhì)量檢測(cè)資料的連續(xù)性；針對(duì)后者，可進(jìn)行探地雷達(dá)儀器的智能化研究，實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)能智能地沿鐵路軌道進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，節(jié)約探測(cè)時(shí)間的同時(shí)提高探測(cè)效率。其次，探地雷達(dá)和其它的地球物理方法一樣，存在著分辨率與探測(cè)深度的矛盾，針對(duì)此矛盾，可進(jìn)行探地雷達(dá)儀器的改革，如提高探測(cè)儀器的發(fā)射功率和發(fā)射效率，降低儀器可接受信號(hào)的最小功率；也可借鑒石油物探和軍事儀器中的陣列技術(shù)將雷達(dá)“陣列化”，以求達(dá)到探測(cè)深度與分辨率的最大平衡以及獲取信息數(shù)據(jù)的最大化。最后，在進(jìn)行探地雷達(dá)的檢測(cè)時(shí)，時(shí)常需要更換不同中心頻率的探地雷達(dá)，由于低頻雷達(dá)體形較大，更換過(guò)程費(fèi)時(shí)，攜帶也不方便，對(duì)此，可探討探地雷達(dá)儀器不同頻率天線的集成化，實(shí)現(xiàn)儀器的體積減小以方便攜帶，同時(shí)易于更換選擇不同中心頻率的探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了探地雷達(dá)在公路工程領(lǐng)域中常見(jiàn)的應(yīng)用，從目前的應(yīng)用效果看，探地雷達(dá)在工程探測(cè)領(lǐng)域具有區(qū)別于其它地球物理方法的高分辨率、高效率、便捷等優(yōu)點(diǎn)，取得了較好的應(yīng)用效果，也在大量不同工程領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為了達(dá)到更精準(zhǔn)的解釋效果和更高的效率，在探地雷達(dá)儀器上還可以進(jìn)行進(jìn)一步加深研究，以實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)探測(cè)深度與分辨率的最優(yōu)化。