巖土工程檢測(cè)中對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用分析研究

郭君

摘要：探地雷達(dá)技術(shù)屬于雷達(dá)技術(shù)與地質(zhì)科學(xué)技術(shù)相融合的地球物理探測(cè)技術(shù)。擁有非常高的探測(cè)效率，且操作較為簡(jiǎn)單，具備無(wú)損失探測(cè)，精度非常高，是運(yùn)用高頻電磁波反射來(lái)探測(cè)地下目標(biāo)的高分辨率電磁方法。文章主要分析了巖土工程檢測(cè)中對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，旨在為工作人員提供參考。

Abstract： Ground penetrating radar technology is a geophysical detection technology that combines radar technology and geological science and technology. It has very high detection efficiency， simple operation， lossless detection， and high accuracy. It is a high-resolution electromagnetic method that uses high-frequency electromagnetic wave reflection to detect underground targets. The article mainly analyzes the application of ground penetrating radar technology in geotechnical engineering inspection， and aims to provide reference for staff.

關(guān)鍵詞：巖石工程;探地雷達(dá)技術(shù);應(yīng)用分析

Key words： rock engineering;ground penetrating radar technology;application analysis

中圖分類號(hào)：TU19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）10-0272-03

0? 引言

自上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)研究人員便開(kāi)始研究地雷達(dá)技術(shù)，將其運(yùn)用到礦業(yè)，確定各個(gè)地下水位的位置。其中，在地下水域土壤中都有污染探測(cè)方面的應(yīng)用，地雷達(dá)屬于非破壞性地表原位探查技術(shù)，可以清楚地為現(xiàn)場(chǎng)提供實(shí)時(shí)剖面記錄，使得圖像清晰、工作效率高。探地雷達(dá)技術(shù)作為新興的方法，可以直觀、準(zhǔn)確的為工程提供檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1? 探地雷達(dá)的探測(cè)原理

近階段，我國(guó)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)快速平穩(wěn)的速度發(fā)展，使得工程建設(shè)項(xiàng)目逐漸的增多，工程質(zhì)量變?yōu)楦鞯胤街饾u注重的核心問(wèn)題。以往傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法依然沒(méi)辦法達(dá)到當(dāng)前施工水平，在此背景下，全新的檢測(cè)技術(shù)逐漸孕育而生—無(wú)損檢測(cè)。探地雷達(dá)屬于較為直觀、連續(xù)以及準(zhǔn)確的非破壞性地球物理檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)前，普遍受到工程技術(shù)人員的注重，并大范圍的運(yùn)用到巖土工程、地基工程以及隧道工程等區(qū)域，獲得了非常顯著的成果。探地雷達(dá)采用寬帶短脈沖的方式的高頻電磁波，采用天線經(jīng)由地面輸送到地下，通過(guò)地層輸送到地下，在通過(guò)地層亦或目標(biāo)體反射后再回到地面，之后，運(yùn)用另一天線來(lái)接收，在已知地下介質(zhì)波速V為已知，能準(zhǔn)確測(cè)定走時(shí)t，通過(guò)上面已知的數(shù)根據(jù)公式（1）求出反應(yīng)物的深度[1]。

其中：α為相位系數(shù);σ為導(dǎo)電率（1/ρ）;ε為介電系數(shù);μ為磁導(dǎo)率。

脈沖波的雙程方向是經(jīng)由反射脈沖測(cè)得走的時(shí)間，再通過(guò)上式求出反應(yīng)物的深度。脈沖波的雙程走方向，是通過(guò)反射脈沖對(duì)于發(fā)射脈沖的延時(shí)進(jìn)行確定的，探地雷能依照本身的發(fā)射高頻電磁波產(chǎn)生的反射波優(yōu)秀探測(cè)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)向地下發(fā)射中心為50-900兆赫的短脈沖電磁波與運(yùn)用和發(fā)射電波的天線距離，進(jìn)而接受兩個(gè)天線中點(diǎn)下面的物質(zhì)，從而發(fā)射的回波，這時(shí)候雷達(dá)儀便能取得此剖面方向上底質(zhì)層間的反射回波圖形，如圖1。

此外，雷達(dá)儀融合鉆孔對(duì)回波圖形的分析，便可得到地質(zhì)剖面的圖形與地質(zhì)資料。在進(jìn)行巖土工程過(guò)程中，雷達(dá)的接收功率會(huì)受到很多原因的影響，如：測(cè)線附近地物的干擾、地形干擾、耦合效應(yīng)引起的干擾、空中輸電線干擾、地表金屬物影響等，其中由于天線耦合不好而引起的干擾波，在記錄自始至終都存在，其頻率接近工作主頻，信號(hào)強(qiáng)，衰減慢，像無(wú)阻尼振蕩。

2? 巖土工程中探地雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

進(jìn)行巖土工程施工前期，需清楚探測(cè)工程區(qū)域內(nèi)的基層巖土物質(zhì)分布狀況以及物理力學(xué)的原理，了解影響其因素是什么[2]。在巖土工程勘探中，以往的工程師需指導(dǎo)探鉆與工程試驗(yàn)的方法進(jìn)行工作的完成?；阢@探屬于耗費(fèi)時(shí)間的工作，并且對(duì)工程的預(yù)算擁有非常顯著的制約，因此，運(yùn)用探底雷達(dá)，運(yùn)用少量的鉆探孔與探地雷實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的組合，在通過(guò)探地雷達(dá)的掃描準(zhǔn)確探測(cè)出淺層地質(zhì)分布情況以及改變，進(jìn)而指導(dǎo)工程師做好前期的勘測(cè)工作。通過(guò)事實(shí)證明，探地雷達(dá)與鉆探參照孔的良好融合屬于科學(xué)有效且數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確的。

采用探地雷達(dá)對(duì)巖土進(jìn)行勘探一般步驟為：

①建立測(cè)區(qū)坐標(biāo)，確定測(cè)線的平面位置。

測(cè)線布置原則：如果測(cè)線目標(biāo)是一維體，假設(shè)管線的方向是已知的定向，則應(yīng)遵循測(cè)線垂直管線長(zhǎng)軸的原則;假設(shè)管線為未知方向，則應(yīng)遵循測(cè)線與管線呈方格網(wǎng)原則;若測(cè)線目標(biāo)是二維體（如基巖面），應(yīng)遵循測(cè)線與二維體整體走向垂直，且根據(jù)二維體走向的變化程度調(diào)整線距;如目的體的體積較小，應(yīng)遵循先大網(wǎng)格后小網(wǎng)格、大比例尺的原則來(lái)確定目的體的范圍。

②測(cè)試方法的制定。

一般分為三種：剖面法、透射法、寬角法。

③測(cè)量參數(shù)選擇。

探地雷達(dá)的測(cè)量參數(shù)不是固定不變的，需要根據(jù)實(shí)地情況，具體的選擇、設(shè)置測(cè)量參數(shù)，測(cè)量參數(shù)的選擇對(duì)測(cè)量的最終結(jié)果是否準(zhǔn)確具有直接的影響。一般探地雷達(dá)的測(cè)量參數(shù)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1）天線中心頻率。

天線中心頻率受目的體的深度與目的體的體積影響，若場(chǎng)地條件許可且分辨率較高的情況下，選擇中心頻率較低的天線，反之，則選擇中心頻率較高的天線。

2）時(shí)窗。

時(shí)窗長(zhǎng)度可由公式（2）估算：

w=1.3*（2*hmax/v）? ? ?（2）

w為時(shí)窗，單位：ns;

hmax為最大探測(cè)深度，單位：m;

v為地層電磁波速度，單位：m/ns。

由公式（2）可以看出，時(shí)窗的選擇主要受最大探測(cè)深度和地層電磁波速度影響，兩者呈反相關(guān)性，即v越大，w越小，考慮到hmax和v的變化，通常時(shí)窗的選擇都應(yīng)預(yù)留出30%以上的余量。

3）掃描點(diǎn)數(shù)。

探地雷達(dá)所反應(yīng)出的是波形曲線圖，為了使數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，在一定頻率下，通常都需要設(shè)置多個(gè)采樣點(diǎn)，掃描點(diǎn)數(shù)p與時(shí)窗w和天線頻率s的關(guān)系應(yīng)該滿足：p≥10w·s。

4）掃描速率。

即為每秒掃描的次數(shù)，直觀反應(yīng)為掃描線的密集程度，若掃描線過(guò)于密集，則可增加天線的移動(dòng)速度，增加采集范圍，為了確保采集的掃描線符合后續(xù)分析的要求，同一探測(cè)范圍內(nèi)應(yīng)至少確保20條掃描線。

④電磁波速的估計(jì)和標(biāo)定。

如公式（3）所示，其中h為雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)深度，t為反射時(shí)間，v為電磁波速度，t值和v值的大小與h值呈正相關(guān)，t值和v值呈反相關(guān)，t值主要受探地雷達(dá)設(shè)備的影響，因此v值的設(shè)置就成為了影響探測(cè)精度的主要參數(shù)，我們可以從以下三個(gè)方面來(lái)估算v值：

h=t·v? ? ? （3）

1）通過(guò)測(cè)量對(duì)象材質(zhì)的介電常數(shù)，運(yùn)用速度公式進(jìn)行估算;

2）利用已知埋深物體的反射走時(shí)進(jìn)行估算;

3）利用地下點(diǎn)孤立目標(biāo)產(chǎn)生的反射雙曲線進(jìn)行估算。

⑤雷達(dá)圖像的數(shù)字處理。

探地雷達(dá)所呈現(xiàn)的圖形，一般都不能直接反應(yīng)出我們所要的結(jié)果，因此，必須對(duì)采集到的雷達(dá)圖形進(jìn)行數(shù)字處理：

預(yù)處理：對(duì)數(shù)字濾波，低通、高通及帶通、中值濾波等進(jìn)行點(diǎn)平均、道平均處理。

偏移處理：以射線理論為基礎(chǔ)的偏移歸位方法（波動(dòng)方程偏移）。

特殊的數(shù)據(jù)處理方法：復(fù)信號(hào)分析：瞬時(shí)相位、瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率。

⑥雷達(dá)圖像解釋。

在進(jìn)行雷達(dá)圖像數(shù)字處理后，就能夠?qū)走_(dá)剖面圖像進(jìn)行解釋，基于被測(cè)介質(zhì)中存在的電性差異，在圖中找到對(duì)應(yīng)反射波。同一界面的反射波形的追蹤需要注意同相性、振幅顯著性變化、波形的特點(diǎn)。在水平電性分界層的反射波組，通常存在與之對(duì)應(yīng)的一組光滑平行的同相軸，這就是反射波形的同相性;反射界面兩側(cè)的介質(zhì)如果在性質(zhì)上存在差異，則會(huì)體現(xiàn)出不同的振幅，振幅顯著性變化的規(guī)律一般遵循：空氣—混凝土，振幅反相;混凝土—空氣，振幅不反相;混凝土—水界面—空氣，振幅反相;混凝土—鋼筋—空氣，振幅反相。波形特征分析需要根據(jù)不同介質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)特性來(lái)判斷，而不同的介質(zhì)反表現(xiàn)出來(lái)的頻譜特征也會(huì)存在不同。

3? 探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用分析

對(duì)于研究探地雷，我國(guó)已經(jīng)有了多年的經(jīng)驗(yàn)，獲得了些許研究成果，積累了較為豐富的工程探測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

3.1 探地雷達(dá)技術(shù)研究

從理論方面進(jìn)行研究，可以看出，當(dāng)前依然聚集在信號(hào)處理上，一些物質(zhì)技術(shù)人員為了更好的區(qū)分圖像以及解釋地質(zhì)，通常會(huì)采用較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法。例如：分形、小波分析等適用于數(shù)據(jù)處理中[5]。這主要是由于探地雷達(dá)接收的信號(hào)較為繁瑣，當(dāng)脈沖電磁波通過(guò)地下介質(zhì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致波形與波幅發(fā)生較為嚴(yán)重的改變，然而，發(fā)生脈沖余震、系統(tǒng)內(nèi)部干擾以及地表不光滑方面，都會(huì)導(dǎo)致散射、剖面旁側(cè)繞射等方面的干擾，造成分辨不出實(shí)際記錄圖像。然而，在處理信號(hào)時(shí)，只約束在時(shí)間波形方面的處理。另外，還探討了聚焦技術(shù)，通過(guò)集中目標(biāo)體的空間響應(yīng)，增加信號(hào)反褶積等數(shù)值處理技術(shù)，以此加大地表被初至的高強(qiáng)電磁波模糊反射體波形特點(diǎn)。

3.2 探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

隨著探地雷達(dá)技術(shù)研究的開(kāi)展，我國(guó)具備了多臺(tái)探地雷達(dá)，可以說(shuō)是覆蓋了全國(guó)各個(gè)部門(mén)，例如：國(guó)家研究院、高等學(xué)校、地礦、鐵路等，幾乎都運(yùn)用上了探地雷達(dá)。工程技術(shù)人員在各自工作區(qū)域?qū)嵤┝诉M(jìn)一步的系統(tǒng)研究，根據(jù)研究程度的逐漸深入，會(huì)進(jìn)一步加大探地雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)用區(qū)域，使得我國(guó)探地雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)一直位列世界先進(jìn)行列。

我國(guó)探地雷達(dá)主要涉及如下幾個(gè)區(qū)域：

①建筑工程質(zhì)量檢測(cè)。此區(qū)域?qū)儆谔降乩走_(dá)運(yùn)用最為有效的區(qū)域，最基本的便是工程質(zhì)量檢測(cè)，最主要的要求便是數(shù)據(jù)需準(zhǔn)確有效，然而，很多探測(cè)對(duì)象卻較為隱蔽，因此，平常的方法不能得到相應(yīng)關(guān)照，但是，使用探地雷達(dá)便能很好的解決此項(xiàng)問(wèn)題。工程缺陷部位介質(zhì)和健全的部位介質(zhì)對(duì)于常規(guī)的介質(zhì)具有明顯的不同，所以，可采用雷達(dá)來(lái)查清施工中隱蔽的質(zhì)量缺陷。探地雷達(dá)可以很好的檢測(cè)混凝土澆筑質(zhì)量、土體含水量等相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，同時(shí)也能檢測(cè)建筑物結(jié)構(gòu)、混凝土中鋼筋分布、混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)等方面。

②城市基礎(chǔ)設(shè)施探測(cè)與檢測(cè)。城市基礎(chǔ)設(shè)施探測(cè)涵蓋了許多金屬與非金屬管線探測(cè)、地下空洞探查、城市路面塌陷檢測(cè)等?；诔鞘兄写嬖诘母蓴_源，很多物探方法沒(méi)有辦法無(wú)能為力。然而，基于探地雷達(dá)天線具有屏蔽功能，在此方面擁有一定的優(yōu)越性，使得高速精準(zhǔn)的探測(cè)特點(diǎn)獲得有效的發(fā)揮。有關(guān)應(yīng)用研究有許多，其效果也各具特色，在地基與樁基基礎(chǔ)工程檢測(cè)方面獲得了很大的突破，當(dāng)前運(yùn)用探地雷達(dá)可以達(dá)到精準(zhǔn)的探測(cè)地基加固處理效果。

4? 存在問(wèn)題與分析

通常情況下，探地雷達(dá)運(yùn)用的是高頻寬頻帶短脈沖電磁波與高速采樣技術(shù)，在探測(cè)分辨率方面都高于其余物理方法。然而，這不能說(shuō)明探地雷達(dá)沒(méi)有缺陷，在實(shí)際運(yùn)用探地雷達(dá)方面還是存在約束性，需進(jìn)一步研究解決。例如：怎樣提升儀器發(fā)射功率與發(fā)射效率，可實(shí)現(xiàn)加大探測(cè)深度的目的;怎樣更進(jìn)一步的壓制探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)存在的電磁干擾信號(hào)，以便提升儀器信噪比，提升雷達(dá)圖像分辨率？以上問(wèn)題都需我們?cè)诮窈蟮奶綔y(cè)工作中逐漸研究解決。探地雷運(yùn)用的區(qū)域非常廣泛，檢測(cè)區(qū)域?qū)走_(dá)技術(shù)的要求也在逐漸提升。因此，需在探地雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)衰減介質(zhì)、解決多區(qū)域工程實(shí)際問(wèn)題與缺陷等方面急需提升，這同樣也為探地雷達(dá)技術(shù)發(fā)展指明了方向。

5? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，自分析探地雷達(dá)技術(shù)后，熟練掌握相應(yīng)儀器設(shè)備、探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)、數(shù)據(jù)處理等方面的知識(shí)，能夠很好在巖土工程勘探方面為公路、鐵路、隧道工程的施工提供幫助。探地雷達(dá)相對(duì)于工程中常用的其它無(wú)損檢測(cè)方法，其優(yōu)勢(shì)在于：

①深度適應(yīng)性。主要體現(xiàn)在不同天線頻率的選擇能夠適應(yīng)不同的探測(cè)深度;

②分辨率適應(yīng)性。主要體現(xiàn)在改變天線中心頻率和頻帶寬度，可實(shí)現(xiàn)不同分辨率的檢測(cè);

③連續(xù)適應(yīng)性。主要體現(xiàn)在掃描速度快，可移動(dòng)進(jìn)行大面積檢測(cè);

④介質(zhì)分辨性。主要體現(xiàn)在可穿透介質(zhì)中的空隙探測(cè)到內(nèi)部質(zhì)量情況，可對(duì)有裝修層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè);

⑤圖像分辨性。主要體現(xiàn)在雷達(dá)檢測(cè)的圖像可以根據(jù)需要顯示為二維切片圖或三維立體圖。

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