地質(zhì)雷達(dá)在隧洞檢測(cè)的相關(guān)應(yīng)用

徐馳

摘要：地質(zhì)雷達(dá)具有高分辨率、無損性及高效率等優(yōu)點(diǎn)，是地下隱蔽工程有力的調(diào)查工具，在建筑結(jié)構(gòu)勘察、生態(tài)環(huán)境、工程地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)勘測(cè)及無損檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用很廣。此文分析地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理、檢測(cè)影響因素、檢測(cè)技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：隧洞檢測(cè)；地質(zhì)雷達(dá)；原理；技術(shù)

隨著國(guó)家加大水利建設(shè)的投入，以及對(duì)水利工程質(zhì)量的高度重視，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)較為普遍。在介質(zhì)中高頻電磁波有高衰減性，應(yīng)用受一定限制。檢測(cè)效果除了與技術(shù)有關(guān)外，還與其他因素密切相關(guān)，需做好深入分析。隧洞地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理、檢測(cè)影響因素及檢測(cè)技術(shù)等為以下重點(diǎn)研究的。

一、隧洞地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)作為電磁技術(shù)可確定地下介質(zhì)的分布光譜，光譜范圍1MHz-1GHz。介質(zhì)中的電磁波傳播，其電磁場(chǎng)強(qiáng)度、路徑、波形可隨著通過介質(zhì)幾何形態(tài)及電磁性質(zhì)而變化，故按照接收波雙程走時(shí)（反射時(shí)間）、波形資料及幅度等，便能推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)隧道襯砌有缺陷時(shí)，缺陷襯砌和良好襯砌之間介電常數(shù)對(duì)比有所差異，導(dǎo)致雷達(dá)波異常反射。地下異常體幾何形體可概括為面狀體和點(diǎn)狀體，其中面狀體包括層面、裂隙等，點(diǎn)狀體包括管線、孔洞等。不同地下異常體的雷達(dá)圖像特征不同，面狀體為線狀反射，而點(diǎn)狀體反射為雙曲線弧。反射波振幅可用于判斷異常區(qū)特征，反射波走時(shí)可用于判斷異常位置，公式為h=（v2t2-x2/2）1/2，h表示異常體深埋，v=c/ε1/2表示介質(zhì)中電磁波傳播速度，ε表示介電常數(shù)，經(jīng)測(cè)定或查相關(guān)參數(shù)獲得，c表示空氣中電磁波傳播速度；t表示雙程走時(shí)，而x表示收發(fā)距[1]?？諝猞艦?，電導(dǎo)率0，傳播速度03m·ns-1，吸收系數(shù)0；水ε為80，電導(dǎo)率05ms·m-1，傳播速度033m·ns-1，吸收系數(shù)01dB·m-1；黏土ε為5-40，電導(dǎo)率2-1000ms·m-1，傳播速度006m·ns-1，吸收系數(shù)1-300dB·m-1；混凝土ε為4-20，電導(dǎo)率1-100ms·m-1，傳播速度012m·ns-1；金屬ε為300，電導(dǎo)率1010ms·m-1，傳播速度0017m·ns-1，吸收系數(shù)108dB·m-1。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線沿著被檢測(cè)的物體表面作同步逐點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，便能獲得內(nèi)部介質(zhì)的剖面圖像，以此進(jìn)行襯砌質(zhì)量檢測(cè)。

二、地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)影響因素

1、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

主要體現(xiàn)在檢測(cè)面平整度和雜波干擾兩方面。干燥空氣中雷達(dá)波速度03m/ns，是混凝土3倍。若檢測(cè)面較不平整，則雷達(dá)天線和其側(cè)面無法緊密接觸，存在空氣；如間隙較大，則被檢測(cè)面可顯示異常界面，產(chǎn)生多次反射信號(hào)，和襯砌內(nèi)異常界面交錯(cuò)或重疊出現(xiàn)，可將干擾信號(hào)誤判地下埋設(shè)物，或所推斷襯砌層厚度較實(shí)際厚度偏大。隧道中的部分物體可形成反射信號(hào)，如金屬構(gòu)件，導(dǎo)致記錄圖譜多變，難以分辨，例如通信信號(hào)線、接觸網(wǎng)高壓電纜線、架線作業(yè)車金屬平臺(tái)。

2、檢測(cè)區(qū)間的物理狀態(tài)

雷達(dá)波波速?zèng)Q定著探測(cè)物深度判斷精準(zhǔn)度。襯砌層原材料影響襯砌層雷達(dá)波的傳播速度。就隧道襯砌來說，混凝土振搗及攪拌均勻性、設(shè)計(jì)等級(jí)等均對(duì)介電常數(shù)取值有影響，故襯砌層的物理狀態(tài)對(duì)雷達(dá)波變化有直接影響，主要為襯砌層材料及含水量變化影響。例如，雷達(dá)波水中速度033m/ns，而混凝土速度012m/ns，說明水對(duì)隧道檢測(cè)的精度有很大影響[2]。

3、分辨率

分辨率直接決定了檢測(cè)效果，并決定著物探分辨最小異常介質(zhì)能力。收發(fā)天線的頻率與探測(cè)深度有關(guān)，頻率越低，則深度越深；而頻率越高，則分辨率越高，不同土壤情況有不同探測(cè)深度。采用高頻天線，可確保雷達(dá)分辨率足夠，但高頻天線可降低探測(cè)深度，對(duì)檢測(cè)效果有影響。

三、如何提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)效果

1、對(duì)檢測(cè)區(qū)間的物理狀態(tài)作細(xì)致了解

檢測(cè)前，需對(duì)隧道內(nèi)設(shè)施情況、設(shè)計(jì)資料及施工記錄等作詳細(xì)了解，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)情況予以細(xì)致觀察，重點(diǎn)觀察襯砌裂隙有無滲漏水。

2、取芯位置布置應(yīng)合理

實(shí)際檢測(cè)前，按照襯砌混凝土電磁波速及介電常數(shù)予以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。標(biāo)定地質(zhì)雷達(dá)電磁波速度對(duì)檢測(cè)精度有很大影響，需合理布置標(biāo)定地質(zhì)雷達(dá)的波速取芯點(diǎn)位，分別統(tǒng)計(jì)不同狀態(tài)下襯砌層雷達(dá)波速，認(rèn)真分析其變化規(guī)律，爭(zhēng)取對(duì)雷達(dá)波速誤差導(dǎo)致的探測(cè)偏差予以有效控制。

3、天線應(yīng)滿足檢測(cè)需要

結(jié)合檢測(cè)需要，選擇頻率不同的天線，針對(duì)性的尋求探測(cè)最佳精度比及深度。從探測(cè)深度及分辨率兩方面，對(duì)隧道不同襯砌部分檢測(cè)要求予以綜合衡量，并按照雷達(dá)探測(cè)深度及精度要求，選擇天線。所有天線可綜合運(yùn)用或單獨(dú)采用人工采點(diǎn)及連續(xù)采點(diǎn)。

4、有效抗干擾

加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)描述，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)干擾物體（無線發(fā)射源和重金屬等）位置進(jìn)行準(zhǔn)確描述，如電燈、電纜線。檢測(cè)時(shí)，若天線移動(dòng)時(shí)與襯砌表面的距離發(fā)生改變，襯砌和圍巖間反射信號(hào)及表面信號(hào)為同步變化，但隧道物質(zhì)反射波為反向變化，與之形成較明顯的反差，則可推斷反射波位置，來自襯砌內(nèi)或隧道內(nèi)[3]。

加強(qiáng)多次反射信號(hào)的區(qū)分。襯砌的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)層和面層可發(fā)生多次反射信號(hào)，并容易和內(nèi)部結(jié)構(gòu)面反射信號(hào)偏離或重疊，從而造成結(jié)構(gòu)界面厚度判斷錯(cuò)誤。需做好多次反射信號(hào)區(qū)分，防止資料判讀出現(xiàn)偏差。

利用軟件處理采集數(shù)據(jù)，處理方法可選擇手動(dòng)控制或自動(dòng)控制增益，抑制雜波，對(duì)介質(zhì)吸收予以補(bǔ)償；背景去噪，對(duì)隨機(jī)干擾的噪聲進(jìn)行抑制，使信噪比提高；時(shí)頻變換及濾波處理，去除突出目的體或高頻，減少多次波影響，使背景噪聲降低。

結(jié)束語：

在隧洞檢測(cè)中，地質(zhì)雷達(dá)起重要作用。想要獲得滿意檢測(cè)效果，應(yīng)詳細(xì)了解隧洞襯砌物理狀態(tài)，并對(duì)地質(zhì)雷達(dá)電磁波速度作客觀標(biāo)定，以此提高檢測(cè)精度。筆者查閱資料及文獻(xiàn)，對(duì)隧洞檢測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)作出分析，供學(xué)者參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李磊，王鵬禹，陳光榮，董棟.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在隧洞工程中的應(yīng)用[J].水利水電施工，2011，04：55-58.

[2]竇寶松，鮑維猛，陳楠.地質(zhì)雷達(dá)在隧洞襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2009，05：12-14.

[3]程立，祁增云，楊顯文.地質(zhì)雷達(dá)在引水隧洞襯砌與灌漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2012，01：59-61+64.