張輝，倪凱男

（浙江交工交通科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311112）

0 引言

公路工程隧道檢測(cè)方法主要分彈性波法和電磁波法兩大類。其中地質(zhì)雷達(dá)法屬于公路工程中應(yīng)用較為廣泛的電磁波法之一，其利用小波長、高分辨率的高頻電磁波實(shí)現(xiàn)公路工程隧道結(jié)構(gòu)的無損快速檢測(cè)。當(dāng)前地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)探測(cè)、連續(xù)探測(cè)并實(shí)時(shí)顯示，為公路工程隧道無損檢測(cè)提供了有效的技術(shù)支持。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)簡介

GPR（Ground Penetrating Radar,地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)）是一種利用高頻電磁波對(duì)目標(biāo)物體和周圍物體電性差異高度敏感特性，對(duì)地下物體位置、結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的地球物理勘查技術(shù)[1]。

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)可以向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波以脈沖形式向地下介質(zhì)傳播，在遇空氣界面、巖性邊界、底層界面等電性差異發(fā)生變化的目標(biāo)體后，電磁波會(huì)發(fā)生反射并被接收天線接收，通過處理分析，結(jié)合電磁波反射波的強(qiáng)弱、波形、走時(shí)差等參數(shù)，推理解釋地下目標(biāo)體的位置、幾何形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，最終實(shí)現(xiàn)完整形態(tài)下的目標(biāo)介質(zhì)探測(cè)目標(biāo)。

2 雷達(dá)技術(shù)在公路工程隧道無損檢測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 檢測(cè)指標(biāo)要求

公路工程隧道勘察對(duì)雷達(dá)檢測(cè)指標(biāo)具有較高的要求。依據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（第一冊(cè)土建工程）》（JTG F80/1—2017），地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)系統(tǒng)增益應(yīng)不低于150dB，信噪比不低于60dB，模數(shù)轉(zhuǎn)換不低于16位，采樣間隔一般不大于0.2ns，信號(hào)疊加次數(shù)可選擇或自動(dòng)疊加，數(shù)據(jù)的觸發(fā)和采集模式為距離模式、時(shí)間模式或手動(dòng)模式，具有點(diǎn)測(cè)與連續(xù)測(cè)量功能，具有手動(dòng)或自動(dòng)位置標(biāo)記功能，具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理功能。

對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)天線的選擇，應(yīng)保證在滿足最大探測(cè)深度要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇高頻率的天線，且要具有屏蔽功能。在連續(xù)檢測(cè)時(shí)，優(yōu)選距離觸發(fā)采集，避免因速度不均而出現(xiàn)圖形畸變情況；當(dāng)現(xiàn)場條件不足時(shí)，選擇時(shí)間觸發(fā)采集。

2.2 技術(shù)要求

公路工程隧道雷達(dá)無損檢測(cè)布線時(shí)，應(yīng)貫徹縱向布線為主、環(huán)向布線為輔的方針，對(duì)測(cè)線位置進(jìn)行精準(zhǔn)記錄。一般兩車道隧道測(cè)線數(shù)量應(yīng)不少于5條，布置在隧道拱頂、左右拱腰及左右邊墻；對(duì)于三車道及以上車道，應(yīng)在隧道拱腰部位增加測(cè)線。為確保地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面各測(cè)點(diǎn)位置與實(shí)際隧道檢測(cè)里程位置相對(duì)應(yīng)，應(yīng)沿著隧道邊墻，每間隔5.0m或10.0m作1個(gè)單線標(biāo)記，每間隔50.0m作1個(gè)雙線標(biāo)記，便于后期核對(duì)。

隧道襯砌厚度是公路隧道地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)的主要指標(biāo)之一，雷達(dá)波速是隧道襯砌厚度計(jì)算的主要參數(shù)[2]。受工藝實(shí)施、材料使用的影響，混凝土襯砌、噴射混凝土中的雷達(dá)波速勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一定幅度的變化。此時(shí)，為確保公路工程地質(zhì)雷達(dá)隧道檢測(cè)精度，需要進(jìn)行現(xiàn)場雷達(dá)波速標(biāo)定。

鑒于屏蔽天線在公路工程隧道地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)中使用頻次較高，根據(jù)隧道襯砌混凝土厚度，結(jié)合檢測(cè)目標(biāo)，要選擇恰當(dāng)?shù)奶炀€頻率。比如，在探測(cè)目標(biāo)為隧道襯砌背后圍巖時(shí)，可以選擇中心頻率為250MHz的天線，并調(diào)整混凝土波速為12cm/ns，波長為48.0cm，分辨率為150λ/B，穿透深度為150cm，精度誤差為4.0%；在探測(cè)對(duì)象為模筑混凝土/噴射混凝土?xí)r，可以選擇中心頻率為400MHz、500MHz或900MHz的天線，混凝土波速均為12.0cm/ns，波長分別為30.0cm,24.0cm,13.0cm，分辨率分別為3.8λ/B,3.0λ/B,1.7λ/B，穿透深度分別為100cm,100cm,40cm，精度誤差分別為3.8%,3.0%,1.7%。

2.3 檢測(cè)分辨率要求

對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)天線來說，應(yīng)保證垂直分辨率超過2.0cm。地質(zhì)雷達(dá)分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，分別指地質(zhì)雷達(dá)可以檢測(cè)出的垂向和水平向最小異常體的能力，與電磁波波長大小有關(guān)。當(dāng)電磁波波長增加時(shí)，接收的波形信號(hào)辨識(shí)能力下降，檢測(cè)精度下降，反之則上升[3]。當(dāng)襯砌混凝土的電磁波波速為0.10m/ns時(shí)，其對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)為9。當(dāng)探測(cè)深度為100cm，天線中心頻率為400MHz時(shí)，其垂向定厚分辨率、垂向識(shí)別分辨率、橫向分辨率分別為3.1cm,0.31cm,35.4cm；當(dāng)探測(cè)深度為50cm，天線中心頻率為900MHz時(shí)，其垂向定厚分辨率、垂向識(shí)別分辨率、橫向分辨率分別為1.4cm,0.14cm,16.7cm。

3 案例分析

3.1 工程概況

某公路隧道包括上行分離式隧道和下行分離式隧道，上下行隧道累計(jì)長度為1 770m，中心間距為32.4m。其中上行隧道位于上行線K61+069—K61+944段，全長875m，為直線隧道，縱坡為0.85%，最大埋深為89.6m；下行隧道位于下行線K61+014—K61+959段，全長895m，進(jìn)出口均位于曲線上，縱坡為1.15%，最大埋深為116.0m。隧道設(shè)計(jì)凈跨8.96m，凈高6.5m的半圓拱曲墻式斷面。

3.2 檢測(cè)方案

公路工程隧道地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)包括踏勘、測(cè)線、檢測(cè)3個(gè)步驟。

第1步：隧道踏勘。在地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)前，由檢測(cè)人員對(duì)公路工程隧道進(jìn)行踏勘，初步了解工作條件[4]。比如隧道高度、隧道中避車洞、電纜位置、下錨段位置以及隧道底部積水或已發(fā)生災(zāi)害地質(zhì)情況。

第2步：確定測(cè)線位置并搭建檢測(cè)平臺(tái)。公路隧道一般需要布設(shè)拱頂測(cè)線、左拱腰測(cè)線、右拱腰測(cè)線、左邊墻測(cè)線、右邊墻測(cè)線5條測(cè)線。檢測(cè)平臺(tái)搭建一般采用登高車或爬梯車。

第3步：地質(zhì)雷達(dá)實(shí)體檢測(cè)。將地質(zhì)雷達(dá)天線與襯砌表面密切貼合，沿隧道縱向滑動(dòng)，并在天線經(jīng)過的地方畫線標(biāo)記。檢測(cè)速度控制為2km/h左右。雷達(dá)儀主機(jī)高速發(fā)射雷達(dá)脈沖，進(jìn)行快速連續(xù)采集。為保證雷達(dá)時(shí)間剖面上各測(cè)點(diǎn)的位置與隧道里程準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，在襯砌壁上每5.0m或10.0m標(biāo)上里程樁號(hào)。當(dāng)天線對(duì)齊某一樁號(hào)時(shí)，每5.0m或10.0m作一單線標(biāo)記，每50.0m的整樁號(hào)作一雙線標(biāo)記?，F(xiàn)場檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇參數(shù)[5]。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

采集完成后，采用分析軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、增益等一系列處理，最后形成雷達(dá)圖像。通過判讀目標(biāo)體的電磁波波形形態(tài)和圖像特征，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行解譯。探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，襯砌內(nèi)兩層鋼筋反射信號(hào)清晰，鋼拱架分布較均勻。K61+743—K61+752段內(nèi)，檢測(cè)長度為9m，第一排鋼筋37根，平均間距25.0cm；鋼支撐10榀，平均間距1.0m；二次襯砌厚度為46.8～53.2cm。

圖1 探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

雷達(dá)技術(shù)不僅可用于公路工程隧道襯砌厚度、內(nèi)部鋼架與鋼筋分布、背后空洞檢測(cè)，而且可以用于檢測(cè)混凝土與圍巖接觸面脫空情況并圈定仰拱充填虛渣范圍，為公路工程隧道質(zhì)量控制提供依據(jù)。在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)時(shí)，檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)公路工程隧道施工情況，進(jìn)行測(cè)線的科學(xué)布置，合理設(shè)置參數(shù)，恰當(dāng)處理檢測(cè)數(shù)據(jù)，保證最終檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，為公路工程隧道質(zhì)量控制提供依據(jù)。