提高地質(zhì)雷達(dá)對(duì)鐵路路基和隧道病害檢測(cè)工作質(zhì)量的對(duì)策分析

楊慧

摘 要：該文簡(jiǎn)述了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)工作原理，從地質(zhì)雷達(dá)在鐵路路基和隧道病害檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)在天線選配、測(cè)線設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、操作等影響檢測(cè)結(jié)果因素方面進(jìn)行對(duì)策分析，提出提高檢測(cè)工作質(zhì)量的建議，并歸納了一些常見(jiàn)特征圖譜。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá) 鐵路路基 隧道 病害檢測(cè)

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（a）-0086-04

地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高端檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于鐵路、公路、水利、電力、采礦、航空等諸多領(lǐng)域，用來(lái)解決場(chǎng)地勘查、工程質(zhì)量檢測(cè)、病害診斷和超前預(yù)報(bào)等問(wèn)題。近年來(lái)，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在鐵路工程，特別是在鐵路路基病害和隧道質(zhì)量檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用和推廣，通過(guò)分析雷達(dá)圖譜，可直觀反應(yīng)出道床、基床的幾何形態(tài)，檢查路基下沉、路基翻漿冒泥、隧道襯砌厚度、襯砌背后空洞、襯砌混凝土密實(shí)度及鋼筋、鋼架分布情況等不同類型的病害，判斷病害的類型、程度、位置及范圍。地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以其非破壞性探測(cè)、抗干擾性強(qiáng)、分辨率高、操作方便、圖像直觀等優(yōu)勢(shì)，已成為排查隱蔽工程安全隱患，確保鐵路工程質(zhì)量的重要手段。然而，在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行路基和隧道病害檢測(cè)的實(shí)際工作中，也暴露出測(cè)線設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、天線選配、操作等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。本文根據(jù)實(shí)際工作體會(huì)，著重就上述影響因素進(jìn)行分析，探討提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)工作質(zhì)量的對(duì)策，并給出一些典型病害圖譜。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)工作原理及儀器設(shè)備簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)由一體化主機(jī)、天線及配套軟件等部分組成。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，地質(zhì)雷達(dá)以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)遇到不均勻體界面時(shí)會(huì)反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定，通過(guò)對(duì)雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識(shí)別隱蔽目標(biāo)物的目的[1]。在鐵路路基病害和隧道質(zhì)量檢測(cè)中，由于填筑時(shí)路基或隧道襯砌采用的填料與施工工藝基本相同，因此沿縱向、橫向材質(zhì)應(yīng)該是均勻的，其雷達(dá)圖像特征也應(yīng)基本相同，即雷達(dá)圖像同相軸應(yīng)該是連續(xù)的，出現(xiàn)病害后，路基或隧道襯砌介質(zhì)和分層界面發(fā)生變異或異常，其特征在雷達(dá)圖譜上均得到顯現(xiàn)，從中可以提取出病害類型、位置、范圍、嚴(yán)重程度等信息。

目前，國(guó)內(nèi)、外用于檢測(cè)鐵路路基、隧道的地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)種類型號(hào)較多，有車載式和便攜式、單通道和多通道之分。由于檢測(cè)任務(wù)和對(duì)象的不同，雷達(dá)主機(jī)配套天線按照中心頻率的不同又分為多種，根據(jù)電磁波信號(hào)耦合方式的不同，主機(jī)配套天線又分為地面耦合、空氣耦合和空氣地面雙耦合等多種。如美國(guó)勞雷公司可選配100 MHz、400 MHz和900 MHz普通屏蔽天線的SIR-3000型便攜式單通道地質(zhì)雷達(dá)，意大利IDS公司可選配400 MHz和900 MHz空氣地面雙耦合天線的RIS-K2 FASTWAVE型地質(zhì)雷達(dá)等。

2 影響地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的因素及對(duì)策分析

2.1 天線選配

天線中心頻率的正確選擇是能否檢測(cè)出目標(biāo)物體的關(guān)鍵。地質(zhì)雷達(dá)波有高、中、低三種頻率，頻率高的電磁波波長(zhǎng)較短，衰減較快，因此探測(cè)深度較淺，但分辨率較高；相反，頻率低的電磁波波長(zhǎng)較大，衰減較慢，探測(cè)深度也較大，但分辨能力相對(duì)較弱[2]。一般，地質(zhì)雷達(dá)的天線頻率可根據(jù)探測(cè)目標(biāo)深度以及目標(biāo)尺寸等因素，按下式計(jì)算天線中心頻率：

上式中：為空間分辨率（即地質(zhì)雷達(dá)能檢測(cè)到目標(biāo)的最小尺寸），—為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行鐵路路基、隧道檢測(cè)時(shí)，根據(jù)被測(cè)體的主要介質(zhì)成分、外貌特征和探測(cè)深度要求合理選擇雷達(dá)天線。天線不同，其適用的探測(cè)范圍也不相同。有的適合探測(cè)深度較淺，分辨率較高的任務(wù)，如探測(cè)混凝土內(nèi)部的鋼筋分布情況、空洞、縫隙和管道分布等；有的適合探測(cè)深度較深的任務(wù)，如進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查、鐵路路基病害探測(cè)等。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量對(duì)象的不同并同時(shí)考慮圖像分辨率因素來(lái)設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)中心頻率，選配相應(yīng)天線。在實(shí)踐應(yīng)用中表明，在路基和隧道檢測(cè)中常用的天線頻率為400 MHz～1600 MHz天線。其中1600 MHz天線探的較淺，可以檢測(cè)到0～0.5 m深度范圍，以毫米級(jí)分辨率檢測(cè)出襯砌的厚度、襯砌內(nèi)部的細(xì)小空洞、裂隙等缺陷，對(duì)于檢測(cè)多層目標(biāo)和病害分類具有更好的效果，也適用于查找二襯中的鋼筋及病害。400 MHz和600 MHz天線探的較深，一般有效檢測(cè)深度范圍為0～3 m，用于檢測(cè)隧道襯砌背后的脫空情況、圍巖情況、鋼拱架的分布、襯砌厚度等，檢測(cè)路基局部下沉、橋頭下沉、道床含水、基床起伏等。具體操作中則需根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目的側(cè)重來(lái)選擇合適頻率，如若對(duì)襯砌厚度和路基病害檢測(cè)精度要求比較高，目標(biāo)體深度較淺時(shí)，則常選取900 MHz、1000 MHz的天線[3]；若同時(shí)要求檢測(cè)襯砌和路基內(nèi)部的項(xiàng)目較多、深度較大時(shí)，常選用400 MHz～600 MHz天線。

2.2 測(cè)線設(shè)計(jì)

設(shè)置測(cè)線是地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行病害檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理布置并及時(shí)優(yōu)化雷達(dá)測(cè)線可提高雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量。測(cè)線設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到能否最大程度地減小干擾，為圖譜分析提供準(zhǔn)確反映病害特征的電磁波信號(hào)，在檢測(cè)開(kāi)始前，應(yīng)根據(jù)被測(cè)體的外貌特征和介質(zhì)成分，綜合考慮各種干擾因素，合理設(shè)計(jì)測(cè)線，在條件允許時(shí)可從不同位置和方向的側(cè)立面進(jìn)行雷達(dá)測(cè)線布置。地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行鐵路路基檢測(cè)時(shí)，測(cè)程較長(zhǎng)時(shí)一般采用車載雷達(dá)，車載雷達(dá)通常以軌道車為載體，雷達(dá)測(cè)線應(yīng)布置在縱向道心和軌道砟肩處，在疑是局部路基塌陷或脫空區(qū)域，適當(dāng)增加橫向測(cè)線的布置。同時(shí)，還要注意在起始位置和結(jié)束位置處打標(biāo)記，尤其是應(yīng)用車載雷達(dá)進(jìn)行快速檢測(cè)時(shí)，遇到橋、涵、隧等建筑物都要做好標(biāo)記，為后續(xù)分析圖譜工作提供準(zhǔn)確的里程卡控標(biāo)志。地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道檢測(cè)時(shí)，雷達(dá)測(cè)線一般布置為5條，即拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻和右邊墻分別布置一條測(cè)線。為了保證雷達(dá)圖像上各測(cè)點(diǎn)位置與實(shí)際檢測(cè)里程位置相對(duì)應(yīng)，檢測(cè)之前要在隧道邊墻上用紅油漆每5 m作一個(gè)標(biāo)記，并標(biāo)出每點(diǎn)的具體里程以供分析圖譜時(shí)核對(duì)里程。在遇到避車洞、人洞及施工現(xiàn)場(chǎng)其他原因引起的不能檢測(cè)的部位時(shí)，也要標(biāo)出具體里程。當(dāng)雷達(dá)天線經(jīng)過(guò)各標(biāo)記時(shí)，由操作人員向儀器輸入打標(biāo)信號(hào)。endprint

需特別說(shuō)明的是，雷達(dá)信號(hào)從低導(dǎo)電率的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，得到的雷達(dá)圖譜水平干擾小，雷達(dá)圖譜效果好，雷達(dá)信號(hào)從高導(dǎo)電率的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，得到的雷達(dá)圖譜水平干擾大，雷達(dá)圖譜效果差。所以，在進(jìn)行雷達(dá)病害檢測(cè)時(shí)，要盡量避開(kāi)高電導(dǎo)率介質(zhì)體的干擾，如高密度配筋混凝土墻體。高密度配筋混凝土墻體形成高導(dǎo)電率的金屬屏蔽墻，產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波被大量吸收或反射，被測(cè)體內(nèi)部病害區(qū)域反射的雷達(dá)回波信號(hào)受到強(qiáng)烈干擾，大幅衰減，致使采集到的圖譜失真，無(wú)法有效檢測(cè)病害。

2.3 參數(shù)設(shè)置

（1）時(shí)窗的選擇。

時(shí)窗設(shè)置主要取決于最大探測(cè)深度與地層電磁波傳輸速度，時(shí)窗的選取原則是既不能選的太小而丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選的太大而降低垂向分辨率。雷達(dá)系統(tǒng)通常增加時(shí)窗的選用值，主要考慮目標(biāo)在深度上的變化及電磁波在地層傳輸速度變化而留出余量。一般選取探測(cè)深度為目標(biāo)深度的1.5倍，以目標(biāo)體的反射信號(hào)大約處在采樣時(shí)窗的1/3～2/3范圍內(nèi)為宜，避免將來(lái)信號(hào)處理可能造成的邊緣干擾。如電磁波在巖土介質(zhì)中傳播的平均速度為0.1 m/ns，則20 ns相當(dāng)于1 m的探測(cè)深度，若要探測(cè)30 m深度，為保證目標(biāo)深度處的地質(zhì)信息完整性，時(shí)窗可增加10%左右，可設(shè)時(shí)窗為600～660 ns。

（2）采樣率的選擇。

采樣率記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，理論上不低于2倍的最高反射波頻率，但為了更完整的記錄地質(zhì)雷達(dá)回波，采樣率一般選取6倍天線中心頻率或更高，如SIR雷達(dá)系統(tǒng)建議采樣率為天線中心頻率的10倍。

（3）掃描速率。

掃描速率為每秒掃描采集的掃描線記錄數(shù)，掃描速率大時(shí)掃描線密集，可以提高天線的移動(dòng)速度。掃描速率確定后，根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體尺度決定天線的移動(dòng)速度，估算移動(dòng)速度的原則是要保證最小的探測(cè)目標(biāo)內(nèi)至少有20條掃描線。

（4）增益調(diào)節(jié)。

為補(bǔ)償介質(zhì)對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和抑制雜波，通常應(yīng)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。增益調(diào)節(jié)分自動(dòng)增益或手動(dòng)增益。增益調(diào)節(jié)要使記錄線上不同時(shí)段根據(jù)雷達(dá)電磁波補(bǔ)償要求有不同的放大倍數(shù)，確保多數(shù)反射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到滿度的60%～70%，使各段信號(hào)都能清楚顯現(xiàn)出來(lái)。增益點(diǎn)之間變化要求是線性的，增益大小的調(diào)節(jié)要求平滑，以免因增益劇增造成“強(qiáng)反射”假象，增益太大將造成削頂，增益太小將丟失弱小信號(hào)。

2.4 操作注意事項(xiàng)

采用普通屏蔽天線進(jìn)行路基檢測(cè)時(shí)，要求雷達(dá)天線貼緊被測(cè)體施測(cè)，施測(cè)過(guò)程中要盡量避免金屬體對(duì)雷達(dá)信號(hào)的干擾。有時(shí)為了避免道砟過(guò)高或道砟上存有異物可能損壞雷達(dá)天線，一般采用空氣耦合型天線，把雷達(dá)天線固定在軌道車上，雷達(dá)天線可相對(duì)路基懸空50 cm進(jìn)行施測(cè)。所以，路基檢測(cè)時(shí)優(yōu)先選用空氣耦合型天線進(jìn)行檢測(cè)。

隧道檢測(cè)中要求雷達(dá)天線緊貼襯砌表面進(jìn)行施測(cè)。目前，隧道檢測(cè)多數(shù)以皮卡車或裝載機(jī)為移動(dòng)工具，焊接一個(gè)鋼架，人站在車上或鋼架上，手托雷達(dá)天線進(jìn)行施測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)因素皮卡車或裝載機(jī)頻繁晃動(dòng)，導(dǎo)致手托天線的人員也跟著晃動(dòng)，這樣不僅存在人身安全隱患，而且雷達(dá)天線與襯砌表面也會(huì)接觸不良，影響檢測(cè)效果。所以在進(jìn)行隧道檢測(cè)時(shí)，建議設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式雷達(dá)天線支架，天線托架可以利用彈簧頂壓裝置，控制天線與被測(cè)體的緊貼度。這樣既保證了人身安全，又可提高雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量。

3 常見(jiàn)特征圖譜

由于施工工藝和所用材料不同，鐵路路基和隧道產(chǎn)生的典型病害類型也不盡相同。路基工程通常因?yàn)榫植繌?qiáng)度不足，基床受水軟化，承受不同動(dòng)載荷等因素，產(chǎn)生下沉、不密實(shí)、翻漿冒泥和含水等典型病害。部分在建或已運(yùn)行鐵路隧道工程都不同程度地出現(xiàn)了滲漏、襯砌開(kāi)裂、襯砌與圍巖結(jié)合不密實(shí)等問(wèn)題，在隧道檢測(cè)中會(huì)出現(xiàn)脫空、局部裂縫、混凝土不密實(shí)、襯砌厚度不足、鋼架和鋼筋間距不符合設(shè)計(jì)要求等典型病害。以下圖譜都是地質(zhì)雷達(dá)在鐵路路基、隧道檢測(cè)的實(shí)際工作中，遇到的典型特征圖譜，對(duì)判斷被測(cè)對(duì)象特征形態(tài)或病害類型有較大幫助，對(duì)提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值。

3.1 路基檢測(cè)中的典型病害

（1）正常路基。見(jiàn)圖1。

（2）路基下沉。見(jiàn)圖2。

（3）路基不密實(shí)。如圖3。

（4）路基含水。如圖4。

（5）路基中的空洞。

圖5為某鐵路路基雷達(dá)空洞試驗(yàn)時(shí)所測(cè)路基中空洞圖像。圖中紅線之間為空洞位置，檢測(cè)效果非常明顯。（圖3～圖5）

3.2 隧道檢測(cè)中的典型病害分析

（1）隧道中的鋼架。

圖6為雷達(dá)圖譜反映出的隧道襯砌中鋼架的分布情況。圖中分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)為隧道混凝土襯砌中的鋼架。通過(guò)兩標(biāo)之間的距離來(lái)判斷鋼架間距是否合格。（圖6）

（2）隧道中的鋼筋。

圖7為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中鋼筋的分布情況?；炷烈r砌中鋼筋網(wǎng)分布鋼筋的反射信號(hào)在雷達(dá)圖譜上表現(xiàn)為連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，從圖譜上可以清楚的看到鋼筋的位置及數(shù)量。（圖7）

（3）隧道襯砌中的空洞。

圖8雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中的空洞圖像?；炷两缑娣瓷湫盘?hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大時(shí)判定為脫空。（圖8）

（4）隧道襯砌中的不密實(shí)。

圖9為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中混凝土的不密實(shí)。隧道混凝土襯砌噴射時(shí)若不密實(shí)，襯砌界面的強(qiáng)反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散。（圖9）

（5）隧道襯砌的厚度。

圖10為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌的襯砌厚度。地質(zhì)雷達(dá)檢出的隧道混凝土襯砌厚度，雷達(dá)圖譜上方的黑白界面相間處判定為二襯起始點(diǎn)，到鋼架頂面之間的距離為二襯的厚度，厚度值精度可精確到厘米級(jí)。（圖10）

4 結(jié)語(yǔ)

目前，地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，在鐵路行業(yè)，其憑借快速、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)已成為排查隱蔽工程安全隱患，確保鐵路工程質(zhì)量的重要手段。在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的實(shí)際工作中，由于被測(cè)體所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和環(huán)境干擾的不確定性，加劇了許多病害圖譜分析的復(fù)雜程度，技術(shù)人員應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)、模擬驗(yàn)證和實(shí)測(cè)工作，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，為鐵路相關(guān)部門進(jìn)行工程質(zhì)量檢驗(yàn)，維護(hù)、整治病害提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭小鳳，曾光宇，周巍.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌厚度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，10（31）：1131-1134.

[2] 曾昭發(fā)，劉四新，馮晅，等.探地雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 李子奇，樊燕燕.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，3（25）：48-51.endprint

需特別說(shuō)明的是，雷達(dá)信號(hào)從低導(dǎo)電率的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，得到的雷達(dá)圖譜水平干擾小，雷達(dá)圖譜效果好，雷達(dá)信號(hào)從高導(dǎo)電率的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，得到的雷達(dá)圖譜水平干擾大，雷達(dá)圖譜效果差。所以，在進(jìn)行雷達(dá)病害檢測(cè)時(shí)，要盡量避開(kāi)高電導(dǎo)率介質(zhì)體的干擾，如高密度配筋混凝土墻體。高密度配筋混凝土墻體形成高導(dǎo)電率的金屬屏蔽墻，產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波被大量吸收或反射，被測(cè)體內(nèi)部病害區(qū)域反射的雷達(dá)回波信號(hào)受到強(qiáng)烈干擾，大幅衰減，致使采集到的圖譜失真，無(wú)法有效檢測(cè)病害。

2.3 參數(shù)設(shè)置

（1）時(shí)窗的選擇。

時(shí)窗設(shè)置主要取決于最大探測(cè)深度與地層電磁波傳輸速度，時(shí)窗的選取原則是既不能選的太小而丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選的太大而降低垂向分辨率。雷達(dá)系統(tǒng)通常增加時(shí)窗的選用值，主要考慮目標(biāo)在深度上的變化及電磁波在地層傳輸速度變化而留出余量。一般選取探測(cè)深度為目標(biāo)深度的1.5倍，以目標(biāo)體的反射信號(hào)大約處在采樣時(shí)窗的1/3～2/3范圍內(nèi)為宜，避免將來(lái)信號(hào)處理可能造成的邊緣干擾。如電磁波在巖土介質(zhì)中傳播的平均速度為0.1 m/ns，則20 ns相當(dāng)于1 m的探測(cè)深度，若要探測(cè)30 m深度，為保證目標(biāo)深度處的地質(zhì)信息完整性，時(shí)窗可增加10%左右，可設(shè)時(shí)窗為600～660 ns。

（2）采樣率的選擇。

采樣率記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，理論上不低于2倍的最高反射波頻率，但為了更完整的記錄地質(zhì)雷達(dá)回波，采樣率一般選取6倍天線中心頻率或更高，如SIR雷達(dá)系統(tǒng)建議采樣率為天線中心頻率的10倍。

（3）掃描速率。

掃描速率為每秒掃描采集的掃描線記錄數(shù)，掃描速率大時(shí)掃描線密集，可以提高天線的移動(dòng)速度。掃描速率確定后，根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體尺度決定天線的移動(dòng)速度，估算移動(dòng)速度的原則是要保證最小的探測(cè)目標(biāo)內(nèi)至少有20條掃描線。

（4）增益調(diào)節(jié)。

為補(bǔ)償介質(zhì)對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和抑制雜波，通常應(yīng)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。增益調(diào)節(jié)分自動(dòng)增益或手動(dòng)增益。增益調(diào)節(jié)要使記錄線上不同時(shí)段根據(jù)雷達(dá)電磁波補(bǔ)償要求有不同的放大倍數(shù)，確保多數(shù)反射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到滿度的60%～70%，使各段信號(hào)都能清楚顯現(xiàn)出來(lái)。增益點(diǎn)之間變化要求是線性的，增益大小的調(diào)節(jié)要求平滑，以免因增益劇增造成“強(qiáng)反射”假象，增益太大將造成削頂，增益太小將丟失弱小信號(hào)。

2.4 操作注意事項(xiàng)

采用普通屏蔽天線進(jìn)行路基檢測(cè)時(shí)，要求雷達(dá)天線貼緊被測(cè)體施測(cè)，施測(cè)過(guò)程中要盡量避免金屬體對(duì)雷達(dá)信號(hào)的干擾。有時(shí)為了避免道砟過(guò)高或道砟上存有異物可能損壞雷達(dá)天線，一般采用空氣耦合型天線，把雷達(dá)天線固定在軌道車上，雷達(dá)天線可相對(duì)路基懸空50 cm進(jìn)行施測(cè)。所以，路基檢測(cè)時(shí)優(yōu)先選用空氣耦合型天線進(jìn)行檢測(cè)。

隧道檢測(cè)中要求雷達(dá)天線緊貼襯砌表面進(jìn)行施測(cè)。目前，隧道檢測(cè)多數(shù)以皮卡車或裝載機(jī)為移動(dòng)工具，焊接一個(gè)鋼架，人站在車上或鋼架上，手托雷達(dá)天線進(jìn)行施測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)因素皮卡車或裝載機(jī)頻繁晃動(dòng)，導(dǎo)致手托天線的人員也跟著晃動(dòng)，這樣不僅存在人身安全隱患，而且雷達(dá)天線與襯砌表面也會(huì)接觸不良，影響檢測(cè)效果。所以在進(jìn)行隧道檢測(cè)時(shí)，建議設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式雷達(dá)天線支架，天線托架可以利用彈簧頂壓裝置，控制天線與被測(cè)體的緊貼度。這樣既保證了人身安全，又可提高雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量。

3 常見(jiàn)特征圖譜

由于施工工藝和所用材料不同，鐵路路基和隧道產(chǎn)生的典型病害類型也不盡相同。路基工程通常因?yàn)榫植繌?qiáng)度不足，基床受水軟化，承受不同動(dòng)載荷等因素，產(chǎn)生下沉、不密實(shí)、翻漿冒泥和含水等典型病害。部分在建或已運(yùn)行鐵路隧道工程都不同程度地出現(xiàn)了滲漏、襯砌開(kāi)裂、襯砌與圍巖結(jié)合不密實(shí)等問(wèn)題，在隧道檢測(cè)中會(huì)出現(xiàn)脫空、局部裂縫、混凝土不密實(shí)、襯砌厚度不足、鋼架和鋼筋間距不符合設(shè)計(jì)要求等典型病害。以下圖譜都是地質(zhì)雷達(dá)在鐵路路基、隧道檢測(cè)的實(shí)際工作中，遇到的典型特征圖譜，對(duì)判斷被測(cè)對(duì)象特征形態(tài)或病害類型有較大幫助，對(duì)提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值。

3.1 路基檢測(cè)中的典型病害

（1）正常路基。見(jiàn)圖1。

（2）路基下沉。見(jiàn)圖2。

（3）路基不密實(shí)。如圖3。

（4）路基含水。如圖4。

（5）路基中的空洞。

圖5為某鐵路路基雷達(dá)空洞試驗(yàn)時(shí)所測(cè)路基中空洞圖像。圖中紅線之間為空洞位置，檢測(cè)效果非常明顯。（圖3～圖5）

3.2 隧道檢測(cè)中的典型病害分析

（1）隧道中的鋼架。

圖6為雷達(dá)圖譜反映出的隧道襯砌中鋼架的分布情況。圖中分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)為隧道混凝土襯砌中的鋼架。通過(guò)兩標(biāo)之間的距離來(lái)判斷鋼架間距是否合格。（圖6）

（2）隧道中的鋼筋。

圖7為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中鋼筋的分布情況?；炷烈r砌中鋼筋網(wǎng)分布鋼筋的反射信號(hào)在雷達(dá)圖譜上表現(xiàn)為連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，從圖譜上可以清楚的看到鋼筋的位置及數(shù)量。（圖7）

（3）隧道襯砌中的空洞。

圖8雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中的空洞圖像。混凝土界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大時(shí)判定為脫空。（圖8）

（4）隧道襯砌中的不密實(shí)。

圖9為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中混凝土的不密實(shí)。隧道混凝土襯砌噴射時(shí)若不密實(shí)，襯砌界面的強(qiáng)反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散。（圖9）

（5）隧道襯砌的厚度。

圖10為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌的襯砌厚度。地質(zhì)雷達(dá)檢出的隧道混凝土襯砌厚度，雷達(dá)圖譜上方的黑白界面相間處判定為二襯起始點(diǎn)，到鋼架頂面之間的距離為二襯的厚度，厚度值精度可精確到厘米級(jí)。（圖10）

4 結(jié)語(yǔ)

目前，地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，在鐵路行業(yè)，其憑借快速、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)已成為排查隱蔽工程安全隱患，確保鐵路工程質(zhì)量的重要手段。在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的實(shí)際工作中，由于被測(cè)體所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和環(huán)境干擾的不確定性，加劇了許多病害圖譜分析的復(fù)雜程度，技術(shù)人員應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)、模擬驗(yàn)證和實(shí)測(cè)工作，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，為鐵路相關(guān)部門進(jìn)行工程質(zhì)量檢驗(yàn)，維護(hù)、整治病害提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭小鳳，曾光宇，周巍.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌厚度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，10（31）：1131-1134.

[2] 曾昭發(fā)，劉四新，馮晅，等.探地雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 李子奇，樊燕燕.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，3（25）：48-51.endprint

需特別說(shuō)明的是，雷達(dá)信號(hào)從低導(dǎo)電率的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，得到的雷達(dá)圖譜水平干擾小，雷達(dá)圖譜效果好，雷達(dá)信號(hào)從高導(dǎo)電率的介質(zhì)中通過(guò)時(shí)，得到的雷達(dá)圖譜水平干擾大，雷達(dá)圖譜效果差。所以，在進(jìn)行雷達(dá)病害檢測(cè)時(shí)，要盡量避開(kāi)高電導(dǎo)率介質(zhì)體的干擾，如高密度配筋混凝土墻體。高密度配筋混凝土墻體形成高導(dǎo)電率的金屬屏蔽墻，產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波被大量吸收或反射，被測(cè)體內(nèi)部病害區(qū)域反射的雷達(dá)回波信號(hào)受到強(qiáng)烈干擾，大幅衰減，致使采集到的圖譜失真，無(wú)法有效檢測(cè)病害。

2.3 參數(shù)設(shè)置

（1）時(shí)窗的選擇。

時(shí)窗設(shè)置主要取決于最大探測(cè)深度與地層電磁波傳輸速度，時(shí)窗的選取原則是既不能選的太小而丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選的太大而降低垂向分辨率。雷達(dá)系統(tǒng)通常增加時(shí)窗的選用值，主要考慮目標(biāo)在深度上的變化及電磁波在地層傳輸速度變化而留出余量。一般選取探測(cè)深度為目標(biāo)深度的1.5倍，以目標(biāo)體的反射信號(hào)大約處在采樣時(shí)窗的1/3～2/3范圍內(nèi)為宜，避免將來(lái)信號(hào)處理可能造成的邊緣干擾。如電磁波在巖土介質(zhì)中傳播的平均速度為0.1 m/ns，則20 ns相當(dāng)于1 m的探測(cè)深度，若要探測(cè)30 m深度，為保證目標(biāo)深度處的地質(zhì)信息完整性，時(shí)窗可增加10%左右，可設(shè)時(shí)窗為600～660 ns。

（2）采樣率的選擇。

采樣率記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，理論上不低于2倍的最高反射波頻率，但為了更完整的記錄地質(zhì)雷達(dá)回波，采樣率一般選取6倍天線中心頻率或更高，如SIR雷達(dá)系統(tǒng)建議采樣率為天線中心頻率的10倍。

（3）掃描速率。

掃描速率為每秒掃描采集的掃描線記錄數(shù)，掃描速率大時(shí)掃描線密集，可以提高天線的移動(dòng)速度。掃描速率確定后，根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體尺度決定天線的移動(dòng)速度，估算移動(dòng)速度的原則是要保證最小的探測(cè)目標(biāo)內(nèi)至少有20條掃描線。

（4）增益調(diào)節(jié)。

為補(bǔ)償介質(zhì)對(duì)雷達(dá)電磁波的吸收和抑制雜波，通常應(yīng)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。增益調(diào)節(jié)分自動(dòng)增益或手動(dòng)增益。增益調(diào)節(jié)要使記錄線上不同時(shí)段根據(jù)雷達(dá)電磁波補(bǔ)償要求有不同的放大倍數(shù)，確保多數(shù)反射信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到滿度的60%～70%，使各段信號(hào)都能清楚顯現(xiàn)出來(lái)。增益點(diǎn)之間變化要求是線性的，增益大小的調(diào)節(jié)要求平滑，以免因增益劇增造成“強(qiáng)反射”假象，增益太大將造成削頂，增益太小將丟失弱小信號(hào)。

2.4 操作注意事項(xiàng)

采用普通屏蔽天線進(jìn)行路基檢測(cè)時(shí)，要求雷達(dá)天線貼緊被測(cè)體施測(cè)，施測(cè)過(guò)程中要盡量避免金屬體對(duì)雷達(dá)信號(hào)的干擾。有時(shí)為了避免道砟過(guò)高或道砟上存有異物可能損壞雷達(dá)天線，一般采用空氣耦合型天線，把雷達(dá)天線固定在軌道車上，雷達(dá)天線可相對(duì)路基懸空50 cm進(jìn)行施測(cè)。所以，路基檢測(cè)時(shí)優(yōu)先選用空氣耦合型天線進(jìn)行檢測(cè)。

隧道檢測(cè)中要求雷達(dá)天線緊貼襯砌表面進(jìn)行施測(cè)。目前，隧道檢測(cè)多數(shù)以皮卡車或裝載機(jī)為移動(dòng)工具，焊接一個(gè)鋼架，人站在車上或鋼架上，手托雷達(dá)天線進(jìn)行施測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)因素皮卡車或裝載機(jī)頻繁晃動(dòng)，導(dǎo)致手托天線的人員也跟著晃動(dòng)，這樣不僅存在人身安全隱患，而且雷達(dá)天線與襯砌表面也會(huì)接觸不良，影響檢測(cè)效果。所以在進(jìn)行隧道檢測(cè)時(shí)，建議設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式雷達(dá)天線支架，天線托架可以利用彈簧頂壓裝置，控制天線與被測(cè)體的緊貼度。這樣既保證了人身安全，又可提高雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量。

3 常見(jiàn)特征圖譜

由于施工工藝和所用材料不同，鐵路路基和隧道產(chǎn)生的典型病害類型也不盡相同。路基工程通常因?yàn)榫植繌?qiáng)度不足，基床受水軟化，承受不同動(dòng)載荷等因素，產(chǎn)生下沉、不密實(shí)、翻漿冒泥和含水等典型病害。部分在建或已運(yùn)行鐵路隧道工程都不同程度地出現(xiàn)了滲漏、襯砌開(kāi)裂、襯砌與圍巖結(jié)合不密實(shí)等問(wèn)題，在隧道檢測(cè)中會(huì)出現(xiàn)脫空、局部裂縫、混凝土不密實(shí)、襯砌厚度不足、鋼架和鋼筋間距不符合設(shè)計(jì)要求等典型病害。以下圖譜都是地質(zhì)雷達(dá)在鐵路路基、隧道檢測(cè)的實(shí)際工作中，遇到的典型特征圖譜，對(duì)判斷被測(cè)對(duì)象特征形態(tài)或病害類型有較大幫助，對(duì)提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值。

3.1 路基檢測(cè)中的典型病害

（1）正常路基。見(jiàn)圖1。

（2）路基下沉。見(jiàn)圖2。

（3）路基不密實(shí)。如圖3。

（4）路基含水。如圖4。

（5）路基中的空洞。

圖5為某鐵路路基雷達(dá)空洞試驗(yàn)時(shí)所測(cè)路基中空洞圖像。圖中紅線之間為空洞位置，檢測(cè)效果非常明顯。（圖3～圖5）

3.2 隧道檢測(cè)中的典型病害分析

（1）隧道中的鋼架。

圖6為雷達(dá)圖譜反映出的隧道襯砌中鋼架的分布情況。圖中分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)為隧道混凝土襯砌中的鋼架。通過(guò)兩標(biāo)之間的距離來(lái)判斷鋼架間距是否合格。（圖6）

（2）隧道中的鋼筋。

圖7為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中鋼筋的分布情況?；炷烈r砌中鋼筋網(wǎng)分布鋼筋的反射信號(hào)在雷達(dá)圖譜上表現(xiàn)為連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，從圖譜上可以清楚的看到鋼筋的位置及數(shù)量。（圖7）

（3）隧道襯砌中的空洞。

圖8雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中的空洞圖像?；炷两缑娣瓷湫盘?hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大時(shí)判定為脫空。（圖8）

（4）隧道襯砌中的不密實(shí)。

圖9為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌中混凝土的不密實(shí)。隧道混凝土襯砌噴射時(shí)若不密實(shí)，襯砌界面的強(qiáng)反射信號(hào)同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散。（圖9）

（5）隧道襯砌的厚度。

圖10為雷達(dá)圖譜反應(yīng)出隧道襯砌的襯砌厚度。地質(zhì)雷達(dá)檢出的隧道混凝土襯砌厚度，雷達(dá)圖譜上方的黑白界面相間處判定為二襯起始點(diǎn)，到鋼架頂面之間的距離為二襯的厚度，厚度值精度可精確到厘米級(jí)。（圖10）

4 結(jié)語(yǔ)

目前，地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，在鐵路行業(yè)，其憑借快速、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)已成為排查隱蔽工程安全隱患，確保鐵路工程質(zhì)量的重要手段。在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的實(shí)際工作中，由于被測(cè)體所處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和環(huán)境干擾的不確定性，加劇了許多病害圖譜分析的復(fù)雜程度，技術(shù)人員應(yīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)、模擬驗(yàn)證和實(shí)測(cè)工作，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷提高檢測(cè)準(zhǔn)確性，為鐵路相關(guān)部門進(jìn)行工程質(zhì)量檢驗(yàn)，維護(hù)、整治病害提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭小鳳，曾光宇，周巍.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌厚度檢測(cè)中的應(yīng)用[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，10（31）：1131-1134.

[2] 曾昭發(fā)，劉四新，馮晅，等.探地雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 李子奇，樊燕燕.地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，3（25）：48-51.endprint