如何提高雷達(dá)法檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量的精度

田柏林 （中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 前 言

地質(zhì)雷達(dá)作為一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，具有快速、高效、連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)λ淼酪r砌、隱蔽工程、地下管線等進(jìn)行連續(xù)掃描檢測(cè)，使用方便。雷達(dá)掃描圖像與光學(xué)圖像不同，需要人工進(jìn)行分析，才能得出檢測(cè)結(jié)果。即使對(duì)同一雷達(dá)圖像，不同經(jīng)驗(yàn)和水平的人得出的結(jié)論并不完全相同，因此對(duì)圖像的分析直接影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，而獲得高質(zhì)量的雷達(dá)圖像是準(zhǔn)確分析的基本前提。本研究致力于找出影響雷達(dá)法檢測(cè)隧道襯砌精度的因素，為檢查施工質(zhì)量、改進(jìn)施工工藝等工作提供可靠的技術(shù)支持。

1 圖像成像質(zhì)量的影響因素

1.1 儀器設(shè)備因素

1.1.1 天線的選擇

地質(zhì)雷達(dá)的天線根據(jù)中心頻率的大小分為多種型號(hào)，一般隧道檢測(cè)常用的天線為400MHz～900MHz。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理是利用天線發(fā)出的寬頻帶高頻電磁波信號(hào)探測(cè)介質(zhì)結(jié)構(gòu)分布從而形成掃描斷面的雷達(dá)圖像。對(duì)于某一確定的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，電磁波在其內(nèi)部傳播的速度是一確定數(shù)值，傳播距離的大小跟頻率有關(guān)。頻率越低傳播得越遠(yuǎn)，同時(shí)其精度越低；波頻率越高傳播得越近，其精度越高。由公式（1）c=λf（式中：c 為電磁波波速；λ 為波長(zhǎng)；f為頻率）可知，電磁波的頻率和波長(zhǎng)互為倒數(shù)，因而探測(cè)精度的高低和天線頻率的大小是矛盾的[1]。所以要根據(jù)被測(cè)物的深度（厚度）選擇頻率適當(dāng)?shù)奶炀€，兼顧探測(cè)深度和精度，以獲得最佳的探測(cè)效果。圖1、圖2是某鐵路隧道邊墻分別由400MHz、1200 MHz兩種頻率天線測(cè)得的圖像。

圖1 400MHz天線測(cè)得圖像

圖2 1200MHz天線測(cè)得圖像

從圖1、圖2可以看出同一被測(cè)物利用不同天線采集到的圖像差別是很大的,1200MHz天線檢測(cè)到的鋼筋的精度要明顯高于400MHz天線檢測(cè)到的圖像；同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，400MHz天線可以檢測(cè)到除鋼筋以外襯砌內(nèi)部更深位置的混凝土襯砌、巖石的分布情況，而1200MHz天線采集到的圖像上則看不到這些信息，這是因?yàn)樘炀€本身的固有頻率制約了探測(cè)深度，決定了探測(cè)能力的大小。為了實(shí)現(xiàn)不同的檢測(cè)目的，天線的選擇至關(guān)重要。

1.1.2 參數(shù)設(shè)置

1.1.2.1 采樣時(shí)窗的大?。╪s）

采樣時(shí)窗即電磁波從天線發(fā)射出來(lái)以后進(jìn)入介質(zhì)到被目標(biāo)物反射回來(lái)被天線接收到的雙程走時(shí)，雷達(dá)天線的工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 雷達(dá)天線工作原理

由公式（2）v=2h/Δt 可知,采樣時(shí)窗的大小至少要足夠電磁波在該層深度（厚度）的介質(zhì)內(nèi)的雙程旅行時(shí)間（Δt），否則雷達(dá)主機(jī)記錄不到完整的目標(biāo)體反射信號(hào)；采樣時(shí)窗也不宜設(shè)置過(guò)大，過(guò)大會(huì)記錄到目標(biāo)物以外位置的其他反射信號(hào)，這些無(wú)用信號(hào)可能會(huì)很強(qiáng)，從而干涉目標(biāo)物的反射信號(hào)，對(duì)垂向分辨率產(chǎn)生影響。

因此，采樣時(shí)窗的設(shè)置要結(jié)合目標(biāo)物的深度（厚度）（h）、介電常數(shù)（ε）兩個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行。一般認(rèn)為采樣時(shí)窗長(zhǎng)度（R）應(yīng)滿足如下關(guān)系：R=2hε1/2/0.3=6.6 hε1/2，（公式3），ν=，（公式4），同時(shí)應(yīng)使目標(biāo)物的反射信號(hào)在采樣時(shí)窗的1/3～2/3范圍內(nèi)[2]。

1.1.2.2 疊加

“疊加”參數(shù)的功能是為了增加信噪比，對(duì)每一點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行硬件增益及光滑，記錄的軌跡為經(jīng)過(guò)硬件增益及光滑后的結(jié)果。該參數(shù)的調(diào)整直接影響到掃描速度，增大參數(shù)值可顯示較弱信號(hào)，能夠提高圖像質(zhì)量，但因此也降低了掃描速度。因?yàn)閽呙杷俣冗^(guò)快會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)主機(jī)記錄不到某些斷面的掃描圖像，造成漏檢情況的發(fā)生。因此，“疊加”參數(shù)的設(shè)置要與相應(yīng)的掃描速度相匹配。

1.2 數(shù)據(jù)采集模式

對(duì)雷達(dá)法檢測(cè)精度影響最關(guān)鍵的因素則是雷達(dá)圖像成像質(zhì)量的優(yōu)劣。當(dāng)各種因素的影響導(dǎo)致圖像質(zhì)量很差時(shí)，就無(wú)法精確判別構(gòu)造物內(nèi)部的缺陷，如圖4所示為雷達(dá)天線因障礙物而脫開(kāi)襯砌表面形成的圖像。因此在采集圖像時(shí)要事先清理測(cè)線走行路線上及附近的障礙物，避免在數(shù)據(jù)采集時(shí)因障礙物的影響漏掉某一位置的圖像導(dǎo)致不連續(xù)。

一般常用的采集模式主要有連續(xù)模式和測(cè)距模式，下面對(duì)這兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

1.2.1 連續(xù)模式

如圖5所示，這種采集模式是最為常用的一種采集模式，在隧道襯砌檢測(cè)前每隔固定間隔（如5m、10m）在襯砌表面打點(diǎn)標(biāo)記，里程標(biāo)記應(yīng)準(zhǔn)確無(wú)誤。這種采集模式下要求在采集過(guò)程中連續(xù)行走，行走速度盡量均勻，避免時(shí)快時(shí)慢，更不應(yīng)停頓。當(dāng)天線沿測(cè)線行走遇到里程標(biāo)記時(shí)按下雷達(dá)主機(jī)標(biāo)記按鈕，掃描圖像上顯示該里程標(biāo)記，從而能夠使被測(cè)物圖像與實(shí)體一一對(duì)應(yīng)。

圖4 天線離開(kāi)襯砌表面

圖5 連續(xù)模式采集

在用該種模式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)尤其需要注意的，一是要行走速度盡量均勻，這就保證采集到的圖像跟實(shí)體成比例；二是只有當(dāng)天線正好經(jīng)過(guò)事先確定好的里程標(biāo)記時(shí)操作雷達(dá)主機(jī)上的打點(diǎn)標(biāo)記按鈕，使得采集到的圖像能夠跟實(shí)體準(zhǔn)確無(wú)誤對(duì)應(yīng)。

1.2.2 測(cè)距模式

如圖6所示，該采集模式的原理是利用測(cè)距輪（距離傳感器）只有在行走時(shí)才觸發(fā)天線發(fā)射電磁波，雷達(dá)主機(jī)才開(kāi)始記錄被測(cè)物反射信號(hào)。這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度較小或比較平直，在天線沿直線行走時(shí)能夠與實(shí)體較好對(duì)應(yīng)，不會(huì)漏檢也不會(huì)產(chǎn)生無(wú)用信號(hào)；而缺點(diǎn)在于實(shí)際檢測(cè)時(shí)測(cè)線往往并不是理想的直線，天線的行走軌跡無(wú)法保證按直線進(jìn)行，這就導(dǎo)致記錄圖像與實(shí)體有較大出入。再者，由于測(cè)距輪本身的磨損會(huì)日益加劇，應(yīng)在每次檢測(cè)前和檢測(cè)后對(duì)測(cè)距輪的直徑予以測(cè)量、校準(zhǔn)，才能保證測(cè)距輪測(cè)距的準(zhǔn)確性。

圖6 測(cè)距模式采集

圖7 襯砌混凝土與圍巖界面

通過(guò)以上兩種采集模式的對(duì)比、結(jié)合實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)我們總結(jié)出，在檢測(cè)前應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際情況選擇合適的采集模式，才能達(dá)到最佳的采集效果。

2 被測(cè)物的影響

2.1 介電常數(shù)的標(biāo)定精度

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波產(chǎn)生反射的前提是介質(zhì)內(nèi)部不均一而導(dǎo)致介電常數(shù)發(fā)生變化。相鄰介質(zhì)的反射系數(shù)：（公式5），式中ε1、ε2為相鄰兩層介質(zhì)的介電常數(shù)。介電常數(shù)差別越大，反射越強(qiáng)，反射系數(shù)的絕對(duì)值也越大。反射系數(shù)的正負(fù)是由電磁波依次入射的兩層介質(zhì)的介電常數(shù)決定的，反應(yīng)在圖像上的差別為反射波的相位不同。因此，在進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)時(shí)當(dāng)電磁波從內(nèi)部構(gòu)造比較均一的混凝土層進(jìn)入到充滿裂隙、富水等復(fù)雜構(gòu)造的圍巖層時(shí)，由于介電常數(shù)的差異會(huì)引起電磁波的反射，介電常數(shù)差異越大，反射越明顯，從而區(qū)分混凝土層和圍巖的界面，得到混凝土層的厚度，如圖7所示。

混凝土的介電常數(shù)隨其構(gòu)成材料的不同而有一定差異，這就要求檢測(cè)人員要對(duì)襯砌混凝土的介電常數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，才能從檢測(cè)文件中獲得準(zhǔn)確的襯砌混凝土層的厚度值。標(biāo)定可以選擇在該隧道相關(guān)結(jié)構(gòu)物上進(jìn)行，標(biāo)定時(shí)需注意標(biāo)定部位與其他被測(cè)部位的原材料基本相同、混凝土強(qiáng)度和配合比基本一致。采用鉆芯法量取厚度或在襯砌端頭直接量取厚度h，利用公式（2）v=2h/Δt、公式（4）ν=，計(jì)算出相對(duì)介電常數(shù)ε，輸入數(shù)據(jù)處理軟件，提高厚度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如圖8、9為同一位置當(dāng)介電常數(shù)分別為6.0和10.0時(shí)的厚度值。

圖8 介電常數(shù)為6.0時(shí)的厚度值

圖9 介電常數(shù)為10.0時(shí)的厚度值

從圖8、9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介電常數(shù)為6.0時(shí)該位置的厚度為50cm，而當(dāng)介電常數(shù)為10.0時(shí)，該處的厚度值約為40cm，兩者相差達(dá)10cm。由此看出介電常數(shù)不準(zhǔn)確將對(duì)厚度值的判別帶來(lái)很大的誤差。

2.2 混凝土齡期

由于水的介電常數(shù)為81，普通混凝土的介電常數(shù)一般在4～10之間，當(dāng)混凝土齡期較短時(shí)，混凝土內(nèi)部存在較多水分，在一定程度上會(huì)對(duì)雷達(dá)掃描圖像產(chǎn)生影響。因此在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，混凝土的齡期應(yīng)大于60d3]。

3 準(zhǔn)備工作及特殊地質(zhì)

隧道工程中圍巖的情況是復(fù)雜多變的，不同等級(jí)的圍巖其襯砌設(shè)計(jì)也是隨之變化的。檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作應(yīng)包括仔細(xì)查看設(shè)計(jì)圖紙，記錄預(yù)埋物安放的位置及數(shù)量；詳細(xì)查看施工記錄、詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員在隧道施工過(guò)程中圍巖的變化情況，記錄圍巖較差、比較發(fā)育、裂隙破碎帶等加固處理的位置，在檢測(cè)完畢后文件處理時(shí)參考使用；在檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄測(cè)線經(jīng)過(guò)位置所遇到的預(yù)留溝槽、配電柜、避車洞、消防設(shè)備等預(yù)留洞室的位置、大小等信息，以便后期圖像處理時(shí)查閱，排除干擾，避免與混凝土內(nèi)部缺陷混淆，造成誤判。如圖10為某鐵路隧道經(jīng)過(guò)加固處理的圍巖掃描圖像。

4 外界干擾

4.1 環(huán)境條件

雷達(dá)天線發(fā)射信號(hào)不僅僅是向被測(cè)物一個(gè)方向發(fā)射，同時(shí)會(huì)朝其它方向發(fā)射信號(hào)，由于隧道在環(huán)向是封閉空間而非開(kāi)闊環(huán)境，因此天線發(fā)射的信號(hào)在隧道另一側(cè)或其他物體上的反射信號(hào)也會(huì)被天線接收到。雖然這些信號(hào)的強(qiáng)度可能很弱，但經(jīng)過(guò)信號(hào)疊加等可能會(huì)形成比較明顯的干擾波，這就要用到處理軟件進(jìn)行濾波，去除雜波干擾。

4.2 周邊金屬物質(zhì)的影響

圖10 某鐵路隧道經(jīng)過(guò)加固處理的邊墻雷達(dá)圖像

圖11 雷達(dá)天線逐漸接近襯砌臺(tái)車時(shí)的反射圖像

由于金屬材料的介電常數(shù)是無(wú)限大的，當(dāng)雷達(dá)波遇到金屬物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的反射，如圖11所示為天線逐漸靠近襯砌臺(tái)車時(shí)的雷達(dá)圖像。隧道工程檢測(cè)時(shí)遇到的金屬物體主要有墻壁上鋪設(shè)的電力線纜及支架、施工機(jī)具、襯砌臺(tái)車、風(fēng)機(jī)預(yù)埋底座以及在地上堆放的鋼筋等，在檢測(cè)前應(yīng)對(duì)此類物品進(jìn)行清理、整理到測(cè)線以外或盡量避開(kāi)，以避免、減少干擾信號(hào)的形成。

5 典型圖像

雷達(dá)波對(duì)介質(zhì)的反射圖形具有一定的特征、規(guī)律，因此我們應(yīng)對(duì)此類典型圖像要有明確的認(rèn)識(shí)和理解。以下列舉幾種最常見(jiàn)的雷達(dá)反射圖形，在對(duì)雷達(dá)掃描圖像分析時(shí)可供參考（如圖12～圖18）。

圖12 某高速公路隧道照明、風(fēng)機(jī)電纜預(yù)留槽

圖13 鋼拱架反射圖像

圖14 隧道下錨段、避車洞反射圖像

圖15 自制模型中鋼筋反射圖像

圖17 空洞的反射圖像

圖18 脫空的反射圖像

6 圖像處理

6.1 人員素質(zhì)

檢測(cè)人員應(yīng)具有地質(zhì)雷達(dá)方面豐富的專業(yè)知識(shí)、熟知設(shè)備的性能及使用方法，在檢測(cè)工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，善于分析總結(jié)，提高對(duì)檢測(cè)圖像的分析能力、技巧。

6.2 數(shù)據(jù)處理軟件的運(yùn)用

對(duì)于部分成像質(zhì)量不佳的檢測(cè)文件可以通過(guò)圖像處理軟件，運(yùn)用技術(shù)手段對(duì)較弱信號(hào)進(jìn)行增益處理以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，除去反射雜波，排除障礙物干擾信號(hào)，對(duì)檢測(cè)到的有用信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，充分利用圖像提供的信息，提高檢測(cè)精度。如圖19、20為經(jīng)過(guò)軟件處理前后的對(duì)比。

圖19 原始反射圖像

圖20 經(jīng)軟件處理的反射圖像

6.3 檢測(cè)實(shí)例

隧道襯砌施工過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題是在所難免的，利用雷達(dá)法對(duì)隧道襯砌實(shí)時(shí)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)無(wú)疑會(huì)起到積極的作用，實(shí)踐證明這種方法是切實(shí)可行、方便有效的。經(jīng)過(guò)對(duì)檢測(cè)文件的分析，可以判別實(shí)體工程存在缺陷的位置及種類，從而指導(dǎo)后續(xù)施工、改進(jìn)施工工藝，避免類似問(wèn)題的繼續(xù)發(fā)生或?qū)σ呀?jīng)存在的問(wèn)題進(jìn)行處理、改正，保證工程質(zhì)量。如圖21為某鐵路隧道拱頂從檢測(cè)文件上判斷為脫空的圖像，圖22為對(duì)該部位實(shí)體上鉆孔注漿處理，證實(shí)該部位存在脫空缺陷。

圖21 隧道拱頂脫空雷達(dá)圖像

圖22 隧道拱頂脫空處注漿處理

7 結(jié) 論

①根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇儀器設(shè)備、參數(shù)及采集方式，盡可能提高圖像的采集質(zhì)量，為圖像分析提供可靠保障；

②對(duì)設(shè)計(jì)情況及特殊地質(zhì)在檢測(cè)前要進(jìn)行充分了解，以便在后期圖像處理時(shí)參考；

③對(duì)各種干擾形成的強(qiáng)烈信號(hào)要有明確認(rèn)識(shí)，避免與被測(cè)物信號(hào)產(chǎn)生混淆；

④提高對(duì)典型圖像的認(rèn)知、分辨能力，必要時(shí)制作相關(guān)模型，加強(qiáng)對(duì)比；

⑤加強(qiáng)技術(shù)手段的運(yùn)用，對(duì)圖形進(jìn)行處理，去除干擾信號(hào)、甄別有用信息，提高對(duì)圖像的解釋精度，進(jìn)而提高檢測(cè)的精度。

通過(guò)本研究，我們找出了影響雷達(dá)法檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量精度的各種影響因素，對(duì)今后開(kāi)展隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)工作將有很大的幫助。對(duì)于就如何提高圖像本身的解釋精度我們將進(jìn)一步進(jìn)行深入探討。

[1]李孟娟,李川.探地雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌厚度的研究[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2008（3）.

[2]熊昌盛.提高地質(zhì)雷達(dá)在隧道二次襯砌檢測(cè)中探測(cè)精度的方法[J].鐵道建筑,2008(1).

[3]汪謀.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)效果影響因素研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2007(2).