地質(zhì)雷達(dá)在隧道中的檢測應(yīng)用

何家范

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

隧道是指在既有的建筑或土石結(jié)構(gòu)中挖出來的通道，供交通立體化、穿山越嶺、地下通道、越江、過海、管道運(yùn)輸、電纜地下化、水利工程等使用。隧道修建工程是隱蔽性的工程，對(duì)于施工質(zhì)量的要求和安全的條件要求都和普通的工程不同。如果仍然使用傳統(tǒng)的手段對(duì)隧道的施工質(zhì)量進(jìn)行檢測，很難夠做出準(zhǔn)確判斷，從而導(dǎo)致隧道在修建完成之后非常容易存在很多的質(zhì)量問題例如襯砌厚度不足、背后脫空等，這些質(zhì)量問題嚴(yán)重威脅了隧道在此后的安全使用。

地質(zhì)雷達(dá)的探測是利用超高頻電磁波，這就使得其探測能力優(yōu)于管線探測儀等電磁波探測類儀器，所以地質(zhì)雷達(dá)常用于基礎(chǔ)深度確定、冰川、地下水污染、礦產(chǎn)勘探、潛水面、溶洞、地下管纜探測、分層、地下埋設(shè)物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結(jié)構(gòu)、水泥結(jié)構(gòu)、無損探傷等檢測。

1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)Ground Penetrating Radar(GPR)是探測地下物體技術(shù)的簡稱。其基本原理是:發(fā)射機(jī)通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為12.5～1200 M、脈沖寬度為0.1ns的脈沖電磁波信號(hào)。當(dāng)這一信號(hào)在巖層中遇到探測目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射信號(hào)。直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)通過接收天線輸入到接收機(jī)，放大后由示波器顯示出來。根據(jù)示波器有無反射信號(hào)，可以判斷有無被測目標(biāo);根據(jù)反射信號(hào)到達(dá)滯后時(shí)間及目標(biāo)物體平均反射波速，可以大致計(jì)算出探測目標(biāo)的距離。其原理圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理圖

由上圖得出公式

2 地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道無損檢測的具體操作

地質(zhì)雷達(dá)法在隧道檢測中廣泛應(yīng)用于初期支護(hù)及二次襯砌厚度檢測、初期支護(hù)背部空洞及二襯與初襯脫空缺陷檢測、襯砌內(nèi)部鋼架及鋼筋分布檢測。根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在使用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測時(shí)以縱向布線為主，橫向布線為輔?？v向布線常在拱頂、左右拱腰及左右邊墻各布置1條，對(duì)于三車道的隧道則應(yīng)該在隧道拱頂部位增加兩條測線，以保障測線的密度。檢測時(shí)，需確定缺陷規(guī)模和范圍時(shí)應(yīng)加密測線或測點(diǎn)。雷達(dá)天線的選擇主要依據(jù)探測深度和探測的目的來進(jìn)行選擇。隧道襯砌的檢測多使用500 MHz和800 MHz的天線。

3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的信號(hào)處理

3.1 介電常數(shù)的確定

在使用地質(zhì)雷達(dá)檢測前，應(yīng)對(duì)襯砌混凝土的介電常熟或電磁波速做現(xiàn)場標(biāo)定。標(biāo)定方法為在已知厚度部位或材料與隧道相同的其他預(yù)制件上測量;在洞口或洞內(nèi)避車洞處使用雙天線直達(dá)波法測量，也可以在現(xiàn)場鉆孔進(jìn)行實(shí)際測量。電磁波速在實(shí)際測量中很多時(shí)候是采用明洞進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定公式如下

式中:εr為相對(duì)介電常數(shù);v為電磁波速;t為雙程旅行時(shí)間;d為標(biāo)定目標(biāo)體厚度。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分為兩步，第一步是進(jìn)行預(yù)處理，首先進(jìn)行減弱干擾波，消除掉剖面上的多次波以及在信息波段的各種背景干擾波，使有效層位的信息突出，從而增加里程和深度信息準(zhǔn)確率。這主要流程是:切除檢測時(shí)的廢棄記錄——對(duì)波形進(jìn)行零點(diǎn)矯正——將里程歸一化處理——均衡道間的能量——對(duì)信息波段進(jìn)行增益處理——過濾掉干擾波——除去各種背景干擾波。第二步是在第一步的基礎(chǔ)上通過對(duì)波形的分析處理來對(duì)波形的異常波段和層位信息進(jìn)行劃分及解釋，并找出對(duì)隧道的補(bǔ)救解決辦法。

3.3 在檢測中的典型波組的識(shí)別

觀察圖2，可以看見此時(shí)紅線標(biāo)注處，鋼架幾乎把電磁波的能量全部反彈回去，此時(shí)的反射系數(shù)接近為1。在上圖中，鋼架形成了半張開傘狀的清晰反射弧，非常明顯地體現(xiàn)了反射同相軸的三振相特征。

圖2 鋼架檢測圖

鋼筋反射類型和鋼架的反射類型類似，相似主要是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體對(duì)電磁波的反射非常強(qiáng)烈，形狀均為弧形，不同的是鋼筋網(wǎng)的反射類型就是多個(gè)鋼架反射弧相互連接，即連續(xù)的雙曲線，同時(shí)還有二次反射，而鋼架反射弧是分散的，具體情況如圖3。

圖3 襯砌內(nèi)鋼筋檢測圖

襯砌和圍巖之間存在著一片脫空區(qū)，脫空區(qū)充滿了空氣，從而使得此刻的反射弧和上面的周圍都是混凝土?xí)r的反射弧形狀、分布都有著極大的差別。它的反射波正反相互間隔，對(duì)電磁波的反射能力也非常強(qiáng)，脫空區(qū)保持蜿蜒如蛇的形狀，所處部位也清晰可見。具體情況如圖4:

圖4 地質(zhì)雷達(dá)檢測復(fù)合襯砌分層圖例

4 地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道時(shí)的注意事項(xiàng)

隧道的支護(hù)表面在修建時(shí)粗糙度過大而引起的檢測數(shù)據(jù)里關(guān)于里程的記錄上存在著誤差以及最后對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出的結(jié)果的錯(cuò)誤;隧道中安裝的用電的或者是含有金屬的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)雷達(dá)波會(huì)產(chǎn)生極大的干擾，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)處理的第二過程中的對(duì)異常信號(hào)做出相應(yīng)的解釋。為了減小背景干擾波對(duì)檢測的影響，要求在現(xiàn)場檢測時(shí)必須讓天線與襯砌表面精密貼合，保證雷達(dá)波均勻移動(dòng)，對(duì)于隧道表面粗糙度大的段落可以用時(shí)間觸發(fā)來探測其狀況;現(xiàn)場必須隨時(shí)記錄所看見或了解到的可能對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生干擾的物品并查明其具體位置。另外，所取的預(yù)制件的介電常數(shù)和用雷達(dá)檢測隧道的各部位的精度密切相連，所取的介電常數(shù)必須現(xiàn)場測量標(biāo)定不可使用查表來進(jìn)行選取額。

圖5 二次襯砌內(nèi)三角形脫空?qǐng)D

5 小結(jié)

地質(zhì)雷達(dá)可以快速準(zhǔn)確的檢測出隧道中存在的各種問題，尤其是對(duì)于各種襯砌檢測中經(jīng)常發(fā)生的問題有極其顯著的效果，提供了客觀可靠的隧道檢測數(shù)據(jù)，為隧道的安全狀態(tài)提供了有力的證明。然而在現(xiàn)實(shí)生活中，僅僅依靠檢測數(shù)據(jù)仍然不是十分可靠，還需要對(duì)隧道的施工工藝有一個(gè)清晰明了的認(rèn)識(shí)，并將雷達(dá)檢測的相關(guān)資料相結(jié)合來做出最優(yōu)的判斷。

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