楊丹丹

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

地質(zhì)雷達因其檢測效率高、無損等特點，在道路路基、隧道襯砌方面得到大力推廣。然而，受復雜地質(zhì)條件和工程環(huán)境的影響，加之地質(zhì)雷達解釋工作普遍缺乏比對依據(jù)，使得病害判別受人為經(jīng)驗影響很大。道路路基多為土基，病害一般以脫空、空洞、不密實為主，較少出現(xiàn)淺部的持續(xù)低頻振蕩信號。而盾構(gòu)隧道，在下穿深度較大的情況下，往往伴隨著高含水、地層信息變化快的特征，因此，在采集數(shù)據(jù)上會呈現(xiàn)持續(xù)的、深度覆蓋范圍大的低頻振蕩信號，導致對病害的判別造成很大的困難。目前地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理研究中，已有多種方法：李昂等[1]基于自適應對消的直達波濾除方法，認為其具有運算少、信號失真小、并可實時處理的優(yōu)點；凌同華等[2]基于HHT 分解出瞬時剖面、瞬時相位、瞬時頻率的HHT 分析法，得出其具有自適應時頻分解的能力，能很好的定量識別地下病害體；王惠琴等[3]基于雙邊濾波-BM3D 算法的聯(lián)合去噪法，認為其能夠更好的保持采集頻譜中缺陷目標體的缺陷特征完整性；Brunzell[4]基于信號統(tǒng)計特征的卡爾曼濾波法，認為其可以利用統(tǒng)計學特征，有效識別卡爾曼特征病害；王紅庭[5]基于曲波變換方向濾波的目標信號增強法，認為其能有效去除注漿檢測探地雷達圖像中所存在的強烈的鋼筋雙曲線反射干擾，并增強空洞病害反射信號，提高了雷達圖像的解釋效率。部分學者通過1：1 模型試驗，利用單波分析法對地質(zhì)雷達較難判別的疑似積水病害進行識別的方法；還有學者利用網(wǎng)絡分析儀對地質(zhì)雷達試驗結(jié)果進行正演分析的方法，認為不同介電常數(shù)對雷達波形識別精確度有較大影響；但針對不同地區(qū)的地層條件，并未形成一種統(tǒng)一高效準確的后處理方法，使得波形解釋變得非常復雜，對工程指導作用變得非常有限。

1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像。

地質(zhì)雷達基本參數(shù)如下。

1.1 電磁脈沖波旅行時間

式中：z——勘查目標體的埋深；x——發(fā)射、接收天線的距離（式中因z>x，故x 可忽略）；v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

1.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：c——電磁波在真空中傳播速度（0.29979m/ns）；εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr——介質(zhì)的相對磁導率（一般μr≈1）。

1.3 電磁波的反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。

式中：r——界面電磁波反射系數(shù)；ε1——第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2——第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

1.4 探地雷達記錄時間和勘查深度的關(guān)系

式中：z——勘查目標體的深度；t——雷達記錄時間。

2 地質(zhì)雷達在道路路基方面的應用

本次以城市某道路為工程實例進行分析。該道路發(fā)生不同程度的開裂、不均勻沉降。遂采用中心頻率600MHz 天線，設置采樣時窗1000ns，采樣道間距0.01m，對病害區(qū)進行網(wǎng)格狀探測，有效探測深度為1.5～2.0m。探測結(jié)果顯示病害類型分為空洞、脫空、不密實3 類。空洞病害的電磁波反射信號幅值較強，呈典型的孤立體相位特征，為規(guī)整或非規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，典型空洞病害如圖1 所示。脫空病害電磁波反射信號幅值較強，多呈近似水平的帶狀分布，同相軸不連續(xù)，有多次反射信號，圖像特征如圖2 所示。不密實病害電磁波反射信號幅值較強，同相軸不連續(xù)、錯斷、雜亂，一般呈區(qū)域化分布。

圖1 典型空洞病害

圖2 典型脫空病害

識別干擾波及目標體的探地雷達圖像特征是進行探地雷達圖像解釋的核心內(nèi)容。探地雷達在接收有效信號的同時，也不可避免地接收到各種干擾信號，產(chǎn)生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，因此在數(shù)據(jù)后處理的分析中要加以辨別和確認，剔除掉干擾信號。

本次對道路采集數(shù)據(jù)的后處理方法采用以下步驟：①靜校正，切除直達波。②去直流漂移。③增益，增強下部信號。④去背景干擾，壓制噪聲，精細化圖像。⑤Bandpassbutterworth 帶通濾波，增強有效信號，濾除畸變雜波。⑥滑動平均，減少圖譜毛刺。⑦距離歸一化。經(jīng)過上述步驟處理，即可達到較為理想的效果，對病害進行判別。

3 地質(zhì)雷達在盾構(gòu)隧道中的應用

本次盾構(gòu)隧道檢測工程實例，以某盾構(gòu)隧道為基礎，對其建成后盾構(gòu)襯砌進行背后空洞探測。隧道內(nèi)徑5.4m，盾構(gòu)管片厚0.3m。隧道下穿珠江，地下水含量極其豐富，隧道頂與河底凈距為13～20m。

數(shù)據(jù)采集采用中心頻率600MHz 的屏蔽天線，設置采樣時窗1000ns，采樣道間距0.01m，對拱頂及左右拱腰進行連續(xù)采樣。后處理過程中，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達采集數(shù)據(jù)效果不夠理想，除去現(xiàn)場管片及人為因素影響外，盾構(gòu)隧道下穿富水地層，在深部產(chǎn)生持續(xù)低頻振蕩強反射信號，成為數(shù)據(jù)處理及病害判別的最大干擾。進行常規(guī)處理后，典型低頻振蕩干擾信號如圖3 所示。

由圖3 可見，在深部持續(xù)出現(xiàn)的低頻振蕩信號，疊加于中心頻率之上，導致高頻波振幅被壓制，無法準確對深部病害進行判別。通過對原始頻譜的分析，可以發(fā)現(xiàn)，低頻信號（即波峰）主要集中在200MHz 附近。原始低頻信號單道頻譜頻率分布如圖4 所示。

圖4 原始低頻信號單道頻譜頻率分布

因此，如何有效對低頻振蕩進行濾除，尤為關(guān)鍵。第一種方案，采用“帶阻濾波”方法對其進行濾除，同時兼顧保留有效信號。濾波之后，發(fā)現(xiàn)深部1.5m 左右仍然存在一定干擾，且上部有效信號同時被濾除一部分，無法突出連續(xù)同相軸或不連續(xù)同相軸的顯著特征。濾波后雷達灰度圖如圖5 所示。由此可得，“帶阻濾波”方法存在一定缺陷，在部分病害有效信號頻率與低頻振蕩信號頻率接近的情況下，會造成有效信息缺失。通過對單道頻譜進行分析，可發(fā)現(xiàn)信號中心頻率已接近正常范圍，但頻率波峰在低頻200MHz 附近仍有凸顯。原始高頻信號單道頻譜頻率分布如圖6 所示。

圖6 原始高頻信號單道頻譜頻率分布

第二種方案，采用“Deconvolution 反褶積”方法，對深部低頻振蕩信號進行處理，目的是通過Levinson 算法執(zhí)行消除毛刺和多次信號。參數(shù)設置：時程48ns，濾波長度1.67μm，噪聲壓制80%。處理完成后可發(fā)現(xiàn)，在深部雖然仍存在低頻高幅波，但在盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)背后，不密實病害已可進行初步判定。圖7 為“Deconvolution反褶積”單道頻譜頻率分布，與圖6 進行比對，可發(fā)現(xiàn)中心頻率振幅明顯增強，但低頻振蕩幅值壓制不夠理想。后經(jīng)現(xiàn)場驗證，不密實處管片存在一定滲水泛堿，注漿加固后，滲水現(xiàn)象消失。

圖7 “Deconvolution 反褶積”單道頻譜頻率分布

通過上述兩種工程案例對比，可以發(fā)現(xiàn)，道路病害處理過程中，無地下水等因素影響的情況下，數(shù)據(jù)后處理效果較為理想，可通過常規(guī)處理步驟進行病害判定，能夠達到預期效果。但在盾構(gòu)隧道等存在嚴重低頻干擾的復雜地層中，則需要特殊處理方法對低頻振蕩信號進行濾波。通常采用“帶阻濾波”與“Deconvolution 反褶積”的方法，但其各有利弊。對于頻譜幅值變化速率較小的振蕩波，采用“帶阻濾波”的方法，則效果更為理想，而持續(xù)性的頻譜幅值變化速率較大的振蕩波，“Deconvolution 反褶積”壓制與諧波效果更為突出。

4 結(jié)論

本文通過兩個工程案例對比，分析了道路路基病害的雷達數(shù)據(jù)與盾構(gòu)隧道的雷達數(shù)據(jù)的異同之處，得出結(jié)論。

（1）道路病害探測常見病害有空洞、脫空、不密實三類，其受低頻振蕩信號干擾較小，雷達圖譜可通過常規(guī)處理方法進行后處理與病害判別。

（2）盾構(gòu)隧道電磁波信號不僅淺部受鋼筋干擾，同時受地層高含水影響，由此產(chǎn)生的持續(xù)低頻振蕩信號，采用“Deconvolution 反褶積”方法，比“帶阻濾波”處理效果更為理想，可以增強有效波幅值，適當壓制低頻振蕩干擾。

（3）對頻率變化速率慢的低頻干擾波，“帶阻濾波”可有效濾除低頻振蕩信號，但對淺部有效信號也有濾波作用；而對頻率變化速率快的低頻干擾波，“Deconvolution 反褶積”則可有效凸顯淺部病害特征圖譜，但對深部低頻振蕩信號濾除作用有限。

地質(zhì)雷達圖譜解釋是一項極其復雜的工作，不僅存在多解性，而且需結(jié)合頻譜特征進行判別，對工程人員的經(jīng)驗判斷要求極高。同時，需結(jié)合病害部位進行現(xiàn)場驗證，避免因介質(zhì)原因產(chǎn)生強反射或低頻振蕩對信號判別產(chǎn)生誤差。