探地雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理①

陳 剛

(成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)取得了顯著的成就，隧道作為交通線上的重要組成部分，國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施也得到了較快的發(fā)展，在2000年以后我國的公路隧道以每年單洞300km的速度遞增.隨著隧道數(shù)量的不斷增加，人們對隧道質(zhì)量的關(guān)注度也不斷提高.對于隧道質(zhì)量檢測的一些傳統(tǒng)方法不僅檢測的速度慢、檢測手段不健全而且還對隧道的施工造成一定的破壞，已經(jīng)不能滿足人們的需要.探地雷達(dá)它因具有無損、連續(xù)、高準(zhǔn)確率的特點(diǎn)而成為檢測隧道質(zhì)量問題的最主要的工具之一[1]，在工程檢測領(lǐng)發(fā)揮域著越來越大的作用.

1 工作原理

探地雷達(dá)(GPR)是一種利用電磁波勘探的技術(shù)，頻率一般在5～3000MHz，它是利用地下物體和介質(zhì)的介電常數(shù)等因素的差異，會對電磁波產(chǎn)生不同反射，工作人員則依據(jù)相應(yīng)軟件對采集到的數(shù)據(jù)處理后的雷達(dá)圖像來判斷地下異常物體，如圖1所示.

2 檢測項(xiàng)目

利用探地雷達(dá)檢測鐵路、公路隧道的內(nèi)容主要包括:判斷襯砌層內(nèi)部的密實(shí)性及是否存在脫空等缺陷、襯砌層內(nèi)部的鋼筋，鋼格柵的分布狀況、隧道襯砌層的厚度是否符合設(shè)計(jì)要求.

脫空及不密實(shí)區(qū)的形成是由于超挖或坍方，施工人員沒有按規(guī)范認(rèn)真做好回填或注漿工作[4]，造成初期支護(hù)與圍巖之間存在較大范圍的空隙，或二次襯砌澆筑原因使拱部或拱腰出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象，或是由于混凝土振搗不密實(shí)原因所致.由于不密實(shí)或存在空洞，形成積水空間，使隧道出現(xiàn)滲漏水，不能很好發(fā)揮圍的彈性抗力作用.由于空氣、混凝土、水的介電常數(shù)存在較大差異，在不密實(shí)區(qū)就會存在幾個(gè)界面對電磁波反射.雷達(dá)界面會出現(xiàn)反射強(qiáng)烈、混亂、較分散的反射條帶狀異常[2]，并且在空洞處會出現(xiàn)雙層界面，如圖2所示.對鋼筋及鋼格柵的檢測，是隧道質(zhì)量檢測的重要組成部分，所以使得通過雷達(dá)圖像判定鋼筋的分布成為我們工作的重點(diǎn)之一.因?yàn)榛炷梁弯摻罴颁摳駯旁诮殡姵?shù)方面存在較大的差異，所以鋼格柵對雷達(dá)波的反射和混凝土相比較更加明顯，它會對雷達(dá)波產(chǎn)生連續(xù)的、強(qiáng)烈的、點(diǎn)形狀的反射圖像(圖3).在使用探地雷達(dá)對隧道進(jìn)行無損的質(zhì)量檢測時(shí)，隨著設(shè)備的移動鋼筋對雷達(dá)波的反射呈現(xiàn)在雷達(dá)剖面上會是清晰的拋物線，我們可以以此作為檢測鋼筋的基礎(chǔ)[3]，如圖4所示.

圖1

圖2

圖3

圖4 拋物線形成過程

3 工程實(shí)例

(1)天線的選擇

頻率低的天線，分辨率相對較低，能量衰減慢，但穿透力較強(qiáng)，頻率高的天線則相反，所以根據(jù)不同的現(xiàn)場情況及檢測對象采用合適的天線進(jìn)行檢測[5].從分辨率、穩(wěn)定性和穿透力三方面綜合考慮，目前在隧道質(zhì)量的檢測中被廣泛使用的雷達(dá)天線是900MHz天線，它的精度較高，能夠較好的判斷襯砌厚度，鋼筋分布及缺陷.

(2)測線布置

在隧道的襯砌質(zhì)量檢測中，雷達(dá)測線應(yīng)以縱向布線為主，橫向布線為輔，為了更好的了解本次檢測項(xiàng)目，在拱頂、拱底、左右拱腳及邊強(qiáng)共布置7條側(cè)線.如圖5所示.

(3)數(shù)據(jù)處理

對于本次檢測數(shù)據(jù)的處理工作主要使用RANDAN 7軟件進(jìn)行，具體所做的數(shù)據(jù)處理工作可總結(jié)如下:

圖5

圖6

圖7 圖像對比

(1)距離歸一化

當(dāng)使用探地雷達(dá)進(jìn)行不間斷的探測時(shí)，因?yàn)榇嬖诓豢杀苊獾母蓴_因素，就很難使雷達(dá)天線的移動達(dá)到理想狀態(tài)，這就會對每米掃描線數(shù)產(chǎn)生影響，所以這就需要在使用軟件對數(shù)據(jù)的處理時(shí)根據(jù)選擇每米掃描數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的增加或刪減一些掃描線，使得測線內(nèi)的掃描線均勻.具體的操作為設(shè)置水平方向參數(shù)選擇:

home→window→properties→Header，標(biāo)記 unites/mark，scans/unit→Processes→Adjust Scans→Distance Normalization→標(biāo)記Apply to user Marks為True→選擇OK.

(2)添加里程信息

表1 厚度檢測結(jié)果

表2 鋼筋檢測

Home→tables→profiles→start Dist(m)→輸入起始里程.若樁號從大到小，需要勾選Home→tables→profiles→Dist decrem(m).

(3)水平刻度調(diào)

Processing→adjust→scans→horizontal Scaling.

(4)調(diào)整增益

Processing→Gain→range gain→gain type→選擇automatic，#of points設(shè)置其值選擇OK.range gain→gain type→選擇 Exponential，設(shè)置值選擇OK.

(5)水平濾波

Processing→filters→FIR，F(xiàn)IRFilters→horizontal→type→選擇stacking，Length，設(shè)置其值.選擇Processing→filters→FIR，F(xiàn)IR Filters→horizontal→type→選擇BKGR REMOVAL→Length，設(shè)置其值.

(6)垂直濾波

Home→Display→Transfer→spectrum，顯示剖面頻譜.

Processing→ filters→ Filters→ Vertical→ High Pass，設(shè)置高通濾波參數(shù)，參數(shù)的選擇最小值為中心頻率的1/4.

(7)交互式解釋

完成資料編輯和處理后，選擇Home→Window→interactive→Road Scan，選項(xiàng)PickType選擇Layer，選項(xiàng) Focus選擇 Layer1，選項(xiàng) Pick Polarity選擇Positive，選項(xiàng) Search Width設(shè)置為9，選項(xiàng) Display Gain設(shè)置為20，選擇Single Point，最后標(biāo)點(diǎn).

(8)利用電子表格Excel繪制地質(zhì)圖件

(9)處理結(jié)果

4 圖像判定

5 分析結(jié)論

(1)東溝隧道檢測發(fā)現(xiàn)脫空1處，如圖6所示.

(2)檢測段個(gè)別位置二襯厚度小于設(shè)計(jì)要求，如表1所示.

(3)拱頂(A)、拱腰(B、E)位置多處鋼筋間距過大，大于設(shè)計(jì)要求，如圖7圖像對比及表2所示.

[1]曾昭發(fā)，劉四新.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

[2]王磊，徐峰.地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(8).