地質(zhì)雷達在工程檢測中的技術(shù)應用

盧衛(wèi)東

【摘要】 地質(zhì)雷達在工程檢測中具有廣泛用途，是無損質(zhì)量檢測的重要設備，本文介紹了地質(zhì)雷達在工程檢測中的一些特點和運用，并分析了其在工程實踐中的技術(shù)應用。

【關(guān)鍵詞】 地質(zhì)雷達 工程檢測 技術(shù)應用

Abstract： Geological radar is widely used in the field of engineering detection， it is an important equipment for nondestructive quality detection. This paper illustrates some characteristics and applications of geological radar in the engineering detection and analyzes technical applications in the engineering practice.

Keywords： geological radar， engineering detection， technical application.

一、地質(zhì)雷達介紹

地質(zhì)雷達，亦稱探地雷達，是一種通過輻射電磁波探測目標體的無損探測設備，一般包括雷達主機、發(fā)射接收天線、電纜線等部分。地質(zhì)雷達發(fā)射天線向目標體發(fā)射特定頻率的電磁波，電磁波在介質(zhì)中行進，若遇到物體界面兩側(cè)的相對介電常數(shù)不同，比如巖體軟硬交界面，空洞界面等，電磁波就會發(fā)生反射并被接收天線接收到，對接收到的信號進行分析，從而達到對目標體的獲知[1-2]。相對介電常數(shù)是一個很重要的概念，無量綱，以符號εr表示，它是反映地下介質(zhì)電性的一個重要參數(shù)。相對介電常數(shù)不同的兩種物質(zhì)的分界面，會引起電磁波的反射，這是地質(zhì)雷達得以探測目標體的物理基礎?？諝獾南鄬殡姵?shù)值為1，水的相對介電常數(shù)值為81，大部分巖石和土的相對介電常數(shù)在4～10之間[3]。雷達進行探測前，首要做的工作就是標定目標體的實際介電常數(shù)值。地質(zhì)雷達的發(fā)射天線能發(fā)射不同頻率的電磁波出去。電磁波頻率高，對目標體識別的分辨率就高，但探測深度較淺；電磁波頻率低，識別分辨率就低，但探測深度較大。要根據(jù)目標體的特點合理選擇天線的中心頻率，雷達天線主要有100MHz、200MHz、400MHz、900MHz、1500MHz等。每種中心頻率的天線都是設計有一定頻段帶寬的，這樣只需要少量幾種中心頻率的雷達天線就可以基本滿足各類檢測需要。目前市面上常用的地質(zhì)雷達設備有美國勞雷公司SIR系列，中國電波傳播研究所LTD系列以及瑞典MALA系列。地質(zhì)雷達可應用于工程的施工過程檢測、病害缺陷檢測、交（竣）工檢測、定期檢查等，地質(zhì)雷達一般屬于測線范圍內(nèi)檢測，只能反映測線一定范圍附近的檢測情況。探測時應根據(jù)目標體的特點和目的，制定合理的檢測方案。地質(zhì)雷達分辨率有縱向分辨率和橫向分辨率兩種，實際應用中較為關(guān)心的是雷達縱向分辨率?？v向分辨率就是雷達在天線發(fā)射電磁波的方向上（一般指垂直方向）能夠“看清楚”目標體的最小尺寸，橫向分辨率就是雷達在天線橫向移動方向上（一般指水平方向）能夠“看清楚”目標體的最小尺寸。天線的中心頻率和帶寬是兩個重要參數(shù)，根據(jù)相關(guān)公式計算出的縱向分辨率理論上能得到λ/8大?。é酥鸽姶挪úㄩL），但考慮到探測環(huán)境復雜的實際情況及誤差，縱向分辨率一般取λ/4[3]。地質(zhì)雷達采集的數(shù)據(jù)，用廠家提供的專業(yè)雷達軟件進行后期處理工作。盡管目前雷達后期處理數(shù)據(jù)軟件功能已經(jīng)很豐富了，但雷達數(shù)據(jù)應該重視現(xiàn)場采集階段，如果采集階段的數(shù)據(jù)不理想，后期再怎么處理都難以達到好的效果。處理雷達數(shù)據(jù)應遵循“簡單和真實”的原則，避免過度加工數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理手段越復雜，越花哨，越有可能引入人為的干擾和意圖。在處理數(shù)據(jù)時，要做到“理解和一致規(guī)則”的對待數(shù)據(jù)，尊重在現(xiàn)場實際客觀采集到的目標體信息。

二、地質(zhì)雷達在工程建設中的應用

2.1地質(zhì)雷達在隧道檢測中的應用

地質(zhì)雷達在隧道檢測中用途多樣，可用于隧道超前地質(zhì)預報，探測掌子面前方圍巖情況，也可用于隧道初支和二襯的質(zhì)量檢測及仰拱探測。

地質(zhì)雷達進行地質(zhì)預報一般可探測到范圍0～40m區(qū)段，通常采用100MHz中心頻率的屏蔽天線。雷達分辨圍巖異常目標體精度很高，可探測出掌子面前方圍巖的節(jié)理裂隙帶，破碎帶或空洞，是目前地質(zhì)預報工作中必不可少的探測設備。采集數(shù)據(jù)時候，雷達一般采用點測模式，信號通常要做合理的數(shù)字疊加，這樣可以得到較穩(wěn)定的信號。采用點測模式一般比時間模式探測距離要遠，但時間模式要比點測模式信息量豐富。在隧道真實的環(huán)境中，掌子面圍巖都是凹凸不平的，屏蔽天線有個特點就是盡量要密貼巖體或者目標體，才能采集到較好的信號，天線點測挪動的距離控制在10cm以內(nèi)，測線可根據(jù)掌子面實際情況布置，必要時加密測線。

圖1是廣西灰?guī)r地區(qū)某座隧道掌子面采用地質(zhì)雷達探測的點測模式剖面圖，圖中圓圈標示的是溶洞區(qū)域。圍巖原設計等級Ⅲ級，掌子面圍巖較完整、較平順，節(jié)理也不發(fā)育。但在探測圖中的掌子面左側(cè)400～620ns區(qū)段，雷達反射波出現(xiàn)頻率增大，振幅增強，波形雜亂，揭示圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。后開挖驗證發(fā)現(xiàn)，在左側(cè)發(fā)育有一較大型溶洞，充填有碎石和黏土。溶洞一般雷達波反射界面會有弧形繞射的明顯特征，但充填有物質(zhì)的溶洞，弧形被削弱，且伴有大范圍的震蕩，類似于溶蝕破碎帶特征。

隧道初支和二襯檢測是施工期間檢測項目。初期支護一般采用900MHz或更高頻率的天線，檢測噴射混凝土厚度、密實性、脫空及背后空洞情況。二襯采用400HMz或900MHz天線檢測厚度、脫空或空洞情況。

圖2是某隧道二襯檢測中拱腰部位測線的一段雷達剖面圖，采用900MHz天線，圍巖設計等級Ⅲ級，二襯設計厚度35cm。25cm標尺深度的層面是二襯混凝土自由表面，80cm附近標尺深度的彎曲層面是二襯和初支的分界層面，二襯介電常數(shù)現(xiàn)場標定值為7.6。該段隧道Ⅲ級圍巖由于光面爆破超挖控制情況有好有壞，檢測出的厚度變化差異較大，但都能滿足質(zhì)量規(guī)范要求。初支二襯由于設計的襯砌類型不同，比如有些初支含有鋼支撐或不含鋼支撐，有些二襯含有單層或雙層鋼筋等，檢測工況亦會有不同，要具體環(huán)境具體分析。

2.2地質(zhì)雷達在港口碼頭檢測中的應用

港口碼頭經(jīng)過長期運營使用后，需要探明軟弱地層對既有結(jié)構(gòu)的影響，地質(zhì)雷達探測是有效的手段，類似于路基路面的探測，只是深度范圍要求更大。軟弱地層的介電性與周圍地層存在差異，會產(chǎn)生較明顯的電磁波反射。港口碼頭由于要探測較大深度，電磁波亦衰減得更大，一般采用100MHz或200MHz天線探測。100MHz天線在介電常數(shù)值取7的情況下1/4波長大小是0.283米，大于等于這個厚度的層一般在剖面圖片上能識別出層厚。對于更細薄的層，雷達也是有反射特征的，能找出大概的位置，只是厚度難以劃出。

2.3地質(zhì)雷達在路基路面檢測中的應用

路面厚度是驗收中的重要指標，地質(zhì)雷達可以進行路面厚度的識別，在檢測中可以降低費用成本，提高工作效率及路面評價的整體范圍，優(yōu)勢較為明顯。路面為層狀結(jié)構(gòu)，各層間的材料具有一定的介電性差異，正常路面結(jié)構(gòu)層雷達圖像一般大致呈水平方向延展，資料處理中要進行水平濾波處理，水平濾波能濾掉水平狀的隨機干擾信號，突出顯示路面反射層狀。雷達采集路面數(shù)據(jù)時，有一些氣候上的條件限制，不要在下雨和路面較濕潤的時候采集，要保證路面是干的。圖3為某高速公路瀝青路面的厚度檢測，路面設計總厚度18cm，使用中國電波傳播研究所LTD-2200型地質(zhì)雷達，天線是1500MHz喇叭式空氣耦合天線，離路面45cm左右高度。在幾處路面鉆孔標定瀝青介電常數(shù)為5.8，這樣瀝青層電磁波波速為0.1246m/ns。

圖3所示，位于0.10m標尺深度范圍的是瀝青頂層界面，位于0.28m標尺深度附近的層是瀝青層的下界面。測得瀝青層厚度集中在18～20cm范圍。實測厚度與抽取的幾個鉆孔芯樣實際厚度相符合。市政道路路基路面病害檢測是目前地質(zhì)雷達應用較為成熟的一個領域。路基路面的主要病害形式是脫空、疏松和沉陷等，探測路基土一般采用400MHz或200MHz天線。400MHz天線時主機選擇50ns左右窗口長度，探測深度一般在1～3m，探測時要仔細規(guī)劃好測線布置。為了加快檢測進度，可以制作一個檢測小拖車用來放置400MHz天線，掛在汽車尾部拉著前進，天線盒子底面距路面10cm左右為宜，可避免磨損天線設備。

圖4是某市政道路的雷達探測剖面圖。0.25m標尺深度是路面頂面，1m標尺左右區(qū)域，雷達反射波能量和振幅都增強，雷達波頻率變低，波形紊亂，表明路面下方這一區(qū)域路基松散，局部區(qū)域沉陷，這是市政路常見的病害情況。

結(jié)語：地質(zhì)雷達屬于精密探測設備，目前行業(yè)內(nèi)還沒有專門的計量單位進行各項參數(shù)的標定認證，使用單位要做的就是多做比對試驗和設備定期維護保養(yǎng)，確保雷達處于正確的工作狀態(tài)。隨著國家交通工程領域逐步推廣和實施“品質(zhì)工程”建設，相信地質(zhì)雷達無損檢測技術(shù)今后將會具有更廣闊的應用空間。

參 考 文 獻

[1] 劉志剛，凌宏億，俞文生.隧道隧洞超前地質(zhì)預報[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 薄會申.鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測與評價 地質(zhì)雷達技術(shù)實用手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

[3] 楊峰，張全升，王鵬越等. 公路路基地質(zhì)雷達探測技術(shù)研究[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4] 陳建勛 主編. 公路工程試驗檢測人員考試用書 隧道（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.