探地雷達在公路工程探測中的應(yīng)用

鄧 瑞

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756)

探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)，又稱地質(zhì)雷達，是一種通過電磁波在介質(zhì)內(nèi)部的傳播規(guī)律從而推測介質(zhì)分布規(guī)律或內(nèi)在結(jié)構(gòu)的一種淺層物探方法。探地雷達采用高頻脈沖電磁波進行探測，相比較于傳統(tǒng)的地球物理方法，其探測過程有更高的效率，探測結(jié)果也具有更高的分辨率[1]。正是由于探地雷達技術(shù)具有高效率、高分辨率、無損、直觀的特點，其在工程探測領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。從目前探地雷達的應(yīng)用情況看，探地雷達在工程探測領(lǐng)域的應(yīng)用主要有[2]：公路及鐵路工程探測領(lǐng)域、水利工程探測領(lǐng)域、橋梁工程探測領(lǐng)域，如公路鐵路路基質(zhì)量檢測、隧道超前地質(zhì)預(yù)報及襯砌質(zhì)量檢測、水利工程隱患檢測、橋梁工程結(jié)構(gòu)檢測及缺陷評價等。利用探地雷達進行工程領(lǐng)域的探測與評價，可提高工程施工效率，為施工方合理安排施工方案與施工進度起到了指導(dǎo)作用。

1 探地雷達探測原理簡介

探地雷達探測系統(tǒng)由發(fā)射天線、接收天線和數(shù)據(jù)存儲控制系統(tǒng)構(gòu)成。探地雷達發(fā)射天線發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖，垂直入射到地下各結(jié)構(gòu)層，電磁波會在電性界面及異常體處產(chǎn)生反射，探地雷達接收天線就可接收到不同時間到達的回波，每個回波對應(yīng)一定深度的結(jié)構(gòu)層界面或目標異常體，在一個測點上得到的一個完整波形，稱一個掃描線，包含了對應(yīng)測點處的反射波的振幅、頻率、相位及雙程旅行時間等信息。當(dāng)利用探地雷達進行連續(xù)測試時，將每個測點掃描線堆積在一起，就得到連續(xù)剖面圖，即探地雷達圖像(圖1)。對原始測量得到的探地雷達圖像進行數(shù)據(jù)處理，并對處理后得到的雷達剖面圖像進行分析和數(shù)據(jù)解釋，就可以得電性界面位置、結(jié)構(gòu)層厚度及目標體的分布規(guī)律。

圖1 探地雷達工作原理示意

2 探地雷達在公路工程中的應(yīng)用

不論是在公路的建設(shè)還是公路的維護階段，探地雷達都發(fā)揮了重要的作用。在建設(shè)施工階段，探地雷達可用于基巖潛水面的確定、斷層裂縫的識別、富含水地段的標定以及公路隧道的超前地質(zhì)預(yù)報，為公路的線路設(shè)計及施工方案的選取提供資料；在后期驗收和維護階段，探地雷達可用于路基各結(jié)構(gòu)層厚度的檢測、隧道襯砌質(zhì)量檢測、公路病害隱患的探測，為公路的施工質(zhì)量的評價以及后期的維護提供依據(jù)。以下就探地雷達在公路工程中的部分應(yīng)用進行詳細說明。

2.1 結(jié)構(gòu)層厚度檢測

由電磁波在路面結(jié)構(gòu)層的傳播時間和面波結(jié)構(gòu)層內(nèi)的傳播速度可通過公式計算出路面結(jié)構(gòu)層的厚度。因此，厚度檢測的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)層界面的回波時間以及電磁波在結(jié)構(gòu)層傳播速度的確定。圖2為探地雷達檢測路面結(jié)構(gòu)層厚度的原理示意圖[3]。圖中，A0、A1、A2分別表示電磁波在空氣與面層界面產(chǎn)生的反射波波幅、電磁波在面層與基層界面產(chǎn)生的反射波波幅、電磁波在基層與土基界面產(chǎn)生的反射波波幅；從A0到A1波幅的傳播時間Δt1即為電磁波在面層中的雙程旅行時間，而從A1到A2波幅的傳播時間Δt2即為電磁波在基層-中的雙程旅行時間。

圖2 探地雷達結(jié)構(gòu)層厚度檢測原理示意

結(jié)構(gòu)層厚度可按下列公式進行計算：

(1)

式中：H表示結(jié)構(gòu)層厚度，Δt表示電磁波傳播的雙層旅行時間，c表示光速，εr表示結(jié)構(gòu)層內(nèi)物質(zhì)的相對介電常數(shù)。

該計算式中主要需要確定的參數(shù)為εr和Δt，Δt可根據(jù)雷達信號目標結(jié)構(gòu)層上下界面反射波回波時間差確定，而相對介電常數(shù)在實際應(yīng)用中并不能保證是一個定值，可通過反射波波幅的變化進行求取，也可在施工過程中采用介電常數(shù)測定儀進行測定，或者對鉆孔取芯巖土進行室內(nèi)速度標定。確定了結(jié)構(gòu)層的雙層旅行時間和相對介電常數(shù)就可以根據(jù)式(1)進行結(jié)構(gòu)層厚度的計算。

2.2 空洞及脫空識別

在公路的長期使用過程中，由于多種因素的作用下，會形成基層與填土層之間的脫空、路面下空洞以及瀝青層剝落等影響公路使用壽命的病害，探地雷達可有效的識別這些工程病害。

探地雷達對空洞的識別原理基于空洞介質(zhì)與周圍其他介質(zhì)存在較大的相對介電常數(shù)的差異，空洞在探地雷達剖面圖上的異常通常呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)，尤其當(dāng)空洞中介質(zhì)為空氣且空洞埋深不大時，空洞在雷達剖面圖上會出現(xiàn)明顯的異常特征。而對脫空層進行識別主要是根據(jù)在脫空層上下界面產(chǎn)生的反射波極性發(fā)生反轉(zhuǎn)這一原理。如圖3所示，左側(cè)圖像顯示剛性路面下有空隙存在，右側(cè)圖像為其對應(yīng)的反射波波形，其中，反射波 A產(chǎn)生于混凝土與空氣界面的反射，反射波 B 是由于空氣與基層界面的反射而形成，反射波 C則是反射波A 與反射波B的疊加，在探地雷達儀器上最終顯示的波形即反射波 C，由于反射波A與反射波B 的反射系數(shù)正負不同,導(dǎo)致兩反射波相位(極性)發(fā)生反轉(zhuǎn)。確定出反射波的時差，即可通過公式計算空洞的相關(guān)參數(shù)。

圖3 探地雷達進行脫空識別原理示意

2.3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報

探地雷達可對隧道施工掌子面前方圍巖中的斷層、裂縫、破碎帶、空洞、地下水等不良地質(zhì)構(gòu)造進行預(yù)測預(yù)報，可為施工方合理安排掘進方案、掘進速度和支護措施提供依據(jù)。當(dāng)隧道前方巖層中由于有斷裂、破碎帶或空洞等不良地質(zhì)體存在時，不良地質(zhì)體與完整圍巖間存在較大的電性差異，有明顯的介電常數(shù)變化，在雷達剖面圖上形成反射波同相軸不連續(xù)的強反射異常。圖4顯示的是四川某隧道某處掌子面水平測線反射波波形堆積圖像[4]，縱軸距離即代表掌子面深度。從圖像可知，縱軸距離0～3 m間圖像中有幅度值較強的波形顯示，該波形主要包括直達波及震源附近松動區(qū)所產(chǎn)生的強反射波，縱軸距離3～11m間，反射波信號較弱，說明該段內(nèi)巖石相對較穩(wěn)定，而在縱軸距離11～27 m間，波形出現(xiàn)多組高頻強反射波，且其同相軸錯亂不連續(xù)，說明該段存在多組電性差異界面且不連貫，因此推斷該深度范圍內(nèi)圍巖巖石節(jié)理裂隙較為發(fā)育，施工工程易出現(xiàn)落實甚至崩塌等危險，應(yīng)提前做好應(yīng)對措施。

圖4 某隧道掌子面反射波形圖像

2.4 隧道襯砌質(zhì)量檢測

隧道襯砌質(zhì)量檢測的內(nèi)容包括隧道襯砌厚度、襯砌背后未填實的空區(qū)、復(fù)合式襯砌間較大的空隙，襯砌混凝土的密室程度等。隧道襯砌厚度的檢測原理與結(jié)構(gòu)層厚度檢測原理類似，通過確定襯砌中電磁波的傳播速度或襯砌介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電磁波的雙程旅行走時利用式(1)進行襯砌厚度的計算[5]。與結(jié)構(gòu)層厚度檢測不同的是，襯砌厚度往往較小，因此盡管可能襯砌與圍巖存在較大的電性差異，雷達反射波剖面圖上異常顯示不是非常明顯，需要進行數(shù)據(jù)處理以及與現(xiàn)場資料對比進行仔細識別。隧道襯砌脫空檢測原理與前述公路路基脫空檢測原理類似，利用脫空上下兩個界面產(chǎn)生的兩次強反射波的相關(guān)波形特征可確定空洞的分布及其到襯砌外表面的距離。但有時脫空所形成的異常與圍巖局部的凸起形成的異常相近，因此確認是否為脫空時，要對異常形態(tài)加以細致的分析和確認。在施工過程中應(yīng)對超挖或坍塌形成的空區(qū)進行回填，而探地雷達對回填的密室程度具有明顯的相應(yīng)特征。在回填欠密室區(qū)域，探地雷達圖像上通常出現(xiàn)反射相位不連續(xù)強反射信號，可以此為特征判斷欠密室區(qū)域進行回填。在利用探地雷達進行混凝土密實度評價時，可根據(jù)探地雷達反射波的波形變化特征將襯砌混凝土分為密室和相對不密室。密室時，反射波相位穩(wěn)定，層內(nèi)沒有強振幅的雜亂反射，而不密室時，反射波振幅變化較大，相位不穩(wěn)定，波形雜亂。

2.5 鋼筋分布及混凝土保護層厚度檢測

與探測其他目標體一樣，鋼筋與周圍介質(zhì)存在的較大的電性差異為探地雷達的探測提供了良好的探測條件。當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的電磁波經(jīng)過鋼筋時，會出現(xiàn)較強的反射振幅，反射相位也相對穩(wěn)定。同時，應(yīng)該注意探地雷達的中心頻率的選取，以防止橫向分辨率過低造成相鄰目標體識別發(fā)生混亂現(xiàn)象。圖5為某在建大橋沿橋墩某測線經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的探地雷達圖像[6]，從圖5中可以清晰地識別鋼筋數(shù)量，從而可以與設(shè)計數(shù)量相比較判斷是否符合設(shè)計要求，同時可根據(jù)反射回波的雙程旅行走時和電磁波在混凝土中傳播的速度或混凝土的介電常數(shù)，利用式(1)可計算出主筋的保護層厚度，從而判斷是否符合設(shè)計要求。

圖5 某大橋沿橋墩某測線探地雷達圖像

3 存在的問題及分析

探地雷達在上述眾多方面中的應(yīng)用表明其在地下隱患無損檢測及工程質(zhì)量檢測方面具有獨特的優(yōu)越性，并能在相對較差的測量環(huán)境中進行探測。同時，與其它地球物理方法相比，其采用高頻脈沖電磁波使其具有更高的分辨率。然而，探地雷達在實際使用中仍然存在局限性。首先，探地雷達雖然相比其它地球物理方法操作更便捷，但在某些復(fù)雜惡劣環(huán)境中施工仍耗時耗力，如在長距離隧道襯砌質(zhì)量檢測中，目前大多是在支撐架進行拱頂?shù)娜斯べ|(zhì)量檢測，此方法危險、效率不高，且由于人工原因難以保證雷達數(shù)據(jù)的質(zhì)量和連續(xù)性；又如鐵路路基的檢測中，由于鐵路路基較長，人工進行探地雷達檢測費時費力，若在已通車段進行檢測，還存在一定危險性，針對前者，可借鑒機械工程中各種已有便捷結(jié)構(gòu)應(yīng)用于探地雷達儀器中，既提高檢測效率，又實現(xiàn)隧道頂部質(zhì)量檢測資料的連續(xù)性；針對后者，可進行探地雷達儀器的智能化研究，實現(xiàn)探地雷達能智能地沿鐵路軌道進行連續(xù)檢測，節(jié)約探測時間的同時提高探測效率。其次，探地雷達和其它的地球物理方法一樣，存在著分辨率與探測深度的矛盾，針對此矛盾，可進行探地雷達儀器的改革，如提高探測儀器的發(fā)射功率和發(fā)射效率，降低儀器可接受信號的最小功率；也可借鑒石油物探和軍事儀器中的陣列技術(shù)將雷達“陣列化”，以求達到探測深度與分辨率的最大平衡以及獲取信息數(shù)據(jù)的最大化。最后，在進行探地雷達的檢測時，時常需要更換不同中心頻率的探地雷達，由于低頻雷達體形較大，更換過程費時，攜帶也不方便，對此，可探討探地雷達儀器不同頻率天線的集成化，實現(xiàn)儀器的體積減小以方便攜帶，同時易于更換選擇不同中心頻率的探地雷達進行檢測。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了探地雷達在公路工程領(lǐng)域中常見的應(yīng)用，從目前的應(yīng)用效果看，探地雷達在工程探測領(lǐng)域具有區(qū)別于其它地球物理方法的高分辨率、高效率、便捷等優(yōu)點，取得了較好的應(yīng)用效果，也在大量不同工程領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，同時為了達到更精準的解釋效果和更高的效率，在探地雷達儀器上還可以進行進一步加深研究，以實現(xiàn)探地雷達探測深度與分辨率的最優(yōu)化。