江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司 / 萬明飛

1 問題的提出

探地雷達(dá)（ground penetrating radar，GPR）無損檢測技術(shù)應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)檢測始于20世紀(jì)90年代，此后便在隧道襯砌、仰拱病害等檢測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。探地雷達(dá)主要通過發(fā)射天線發(fā)射高頻短脈沖電磁波，并經(jīng)地下介質(zhì)吸收以及異常體反射后，返回地面并被接收天線所接收。由分析軟件對所接收到的雷達(dá)波形進(jìn)行處理后便得到地下介質(zhì)、異常體等的分布情況。隧道襯砌質(zhì)量無損檢測主要針對二襯、初支、仰拱等結(jié)構(gòu)，其中仰拱填充及混凝土澆筑層厚度大，在應(yīng)用探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)進(jìn)行隧道仰拱脫空、不密實(shí)、厚度不足等缺陷檢測時(shí)，必須對天線參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化處理，以保證檢測結(jié)果的真實(shí)可靠性。

2 技術(shù)應(yīng)用

某隧道起訖樁號DKX15+150~ DKX15+530，長度為410m，采用單洞對向行車二級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，隧道進(jìn)出口均為U形溝谷及單一走廊帶，進(jìn)口為削竹式洞門，出口為墻式洞門，進(jìn)出口海拔分別為3865m和3910m。該隧道是連接川西北、加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)、振興少數(shù)民族地區(qū)的交通要道。在運(yùn)行過程中，隧道DKX15+185~DKX15+226段仰拱先后出現(xiàn)裂縫，為快速準(zhǔn)確確定裂縫原因，隧道管理當(dāng)局決定采用GPR探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)進(jìn)行病害段仰拱密實(shí)度、內(nèi)部缺陷規(guī)模大小等的檢測。

2.1 數(shù)據(jù)采集

在應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行該隧道仰拱缺陷檢測時(shí)，必須確定測區(qū)，并根據(jù)待測目標(biāo)規(guī)模進(jìn)行網(wǎng)格布線。測線間距按照待測目標(biāo)水平尺度、分辨率等確定，為避免發(fā)生漏測，測線間距應(yīng)≤目標(biāo)水平尺度與分辨率。本文主要檢測隧道仰拱右側(cè)測線處既有裂縫，故應(yīng)在待檢測位置進(jìn)行網(wǎng)格布線，其中a~g、j~n及p、q為測線。在完成網(wǎng)格布線后，根據(jù)目標(biāo)深度、尺度、場地要求及天線尺寸等進(jìn)行天線中心頻率的確定。隧道仰拱實(shí)測時(shí)，應(yīng)在滿足場地條件及分辨率要求的基礎(chǔ)上，盡量選用中心頻率較低的天線，本隧道仰拱實(shí)際厚度1.8~2.2m，故選用400MHz的天線進(jìn)行檢測。

根據(jù)隧道仰拱探測深度最大值和介質(zhì)電磁波波速實(shí)際情況確定采樣時(shí)窗大小，且充分考慮以上兩個(gè)變量的變化情況后，應(yīng)預(yù)留出0.3倍以上的采樣視窗余量。本隧道仰拱檢測中采樣視窗 的大小主要根據(jù)式 進(jìn)行估算，式中 為隧道仰拱探測深度最大值（m）； 為介質(zhì)電磁波波速（m/ns）。根據(jù)本隧道仰拱檢測段最大厚度值及混凝土結(jié)構(gòu)中電磁波實(shí)際傳播速度，采樣視窗 取45ns。

每道波形的采樣點(diǎn)數(shù)即為掃描樣點(diǎn)數(shù)，本隧道工程所用探地雷達(dá)檢測設(shè)備包括128、256、512、1024、2048等五種采樣點(diǎn)可供選擇。為使監(jiān)測頻率下各波形所對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)至少為10個(gè)，掃描點(diǎn)數(shù)應(yīng)不小于10個(gè)時(shí)窗長度與天線頻率之積，所以，本隧道仰拱檢測掃描點(diǎn)數(shù)取1024。每秒鐘所采集的掃描線數(shù)量即為掃描速率，掃描線越密集則掃描速率越大，雷達(dá)天線移動速度也越快。確定出掃描速率后，雷達(dá)天線移動速度主要根據(jù)待測目標(biāo)體實(shí)際尺寸確定，并保證在探測目標(biāo)范圍內(nèi)至少設(shè)置20條掃描線，且移動速度不大于掃描速率與探測目標(biāo)最小尺寸之積。由此所確定出的本隧道工程仰拱探地雷達(dá)檢測掃描速率為70Scans/s。為保證掃描記錄線上不同檢測時(shí)段放大倍數(shù)不同，確保各段信號清晰顯示，還必須確定增益點(diǎn)數(shù)，按照反射信號強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)滿度值60%的相關(guān)要求，本隧道仰拱探地雷達(dá)檢測時(shí)設(shè)置5個(gè)增益點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

為壓制并降低隨機(jī)規(guī)則干擾波的不利影響，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提升雷達(dá)剖面信噪比，并提取出電磁回波中的有用參數(shù)，進(jìn)行隧道仰拱結(jié)構(gòu)中不同介質(zhì)物理特性的描述與解釋。此外，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的目的還在于重置數(shù)據(jù)元素，達(dá)到補(bǔ)償不同方向反射疊加所造成空間畸變的目的。在具體進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須結(jié)合原始數(shù)據(jù)數(shù)量的多少及質(zhì)量的高低增減處理步驟。根據(jù)對本隧道工程仰拱結(jié)構(gòu)混凝土厚度的測量結(jié)果，得到其襯砌混凝土介電常數(shù)取6.5，電磁波傳播速度為0.12m/ns，并按照一般流程進(jìn)行探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行隧道仰拱結(jié)構(gòu)混凝土缺陷解釋。在反射目標(biāo)提取的過程中待測介質(zhì)中電性差異存在，便能在雷達(dá)剖面中確定出相應(yīng)的反射波，并通過比較鄰道反射波，將其相同相位連接成同相軸。對于均勻無差異區(qū)域而言，同一組波的波峰、波谷等相位特征基本保持不變；而對于水平電性分界層，反射波組中通常存在一組同相軸與之平行?？紤]到探地雷達(dá)所記錄的點(diǎn)距往往小于介質(zhì)變化相位，所以鄰道上相同反射波組形態(tài)主特征不會發(fā)生較大變化，其波峰、波谷、波形、振幅及周期等均具有較為穩(wěn)定的特征。結(jié)合該隧道仰拱病害探地雷達(dá)反射波組的實(shí)際特征，可直接在雷達(dá)圖像中進(jìn)行反射層提取。

根據(jù)對起訖樁號DKX15+185~DKX15+226段橫向不密實(shí)缺陷雷達(dá)圖像中正常部位反射波與不正常部位反射波波形圖的比較發(fā)現(xiàn)，距離隧道仰拱表面0~43cm以內(nèi)的反射波振幅、相位大致一致；而在距離隧道仰拱表面43~125cm內(nèi)兩道反射波相位相反，且異常部位反射波振幅最大可達(dá)正常部位反射波振幅的3倍，隨距離增加，介電常數(shù)變化更為明顯，高頻波更加常見；但當(dāng)與隧道仰拱表面距離超出125cm后，異常反射波波幅及相位逐漸趨于正常。

在距離隧道仰拱表面43~125cm范圍內(nèi)帶狀繞射較為發(fā)育，雜波較強(qiáng)，且同向軸并不連續(xù)，通過分析其缺陷圖發(fā)現(xiàn)，測線f所對應(yīng)樁號為DKX15+189~ DKX15+190，平均深度為0.54m，所測得的帶狀長條形缺陷繞射發(fā)育，面積為1.15m2，且雜波強(qiáng)；測線f所對應(yīng)樁號為DKX15+191~DKX15+220，平均深度為0.51m，所測得的帶狀長條形缺陷繞射發(fā)育，面積為1.15m2；測線c、d、m、n、p所對應(yīng)樁號分別 為DKX15+185~DKX15+186、DKX15+187~DKX15+188、DKX15+221~DKX15+222、DKX15+223~DKX15+224、DKX15+225~DKX15+226，平均深度分別為0.42m、0.45m、0.5m、0.58m和0.72m，所測得的帶狀長條形缺陷均繞射發(fā)育，缺陷面積分別為1.74m2、1.28m2、1.71m2、1.62m2、1.4m2。以上檢測結(jié)果表明，該隧道仰拱局部區(qū)域混凝土填充均勻性差，膠結(jié)密實(shí)度不良。

3 結(jié)論

綜上所述，隧道仰拱探地雷達(dá)檢測在精度及分辨率方面有較高要求，在應(yīng)用探地雷達(dá)400MHz天線進(jìn)行隧道仰拱缺陷檢測時(shí)，主要借助Radan7軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。施工方和質(zhì)量控制單位在隨后進(jìn)行了隧道仰拱缺陷鉆孔驗(yàn)證，破檢結(jié)果和GPR探地雷達(dá)無損檢測結(jié)果相符，表明本工程應(yīng)用GPR探地雷達(dá)檢測隧道仰拱時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理方法準(zhǔn)確有效，檢測結(jié)果真實(shí)可靠。