提高隧道無損檢測縱橫向分辨率

高 陽

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達的探測原理是根據(jù)土質(zhì)、巖層及其它物質(zhì)導(dǎo)電率（電阻率的倒數(shù)）及介電常數(shù)的不同、一級相鄰兩種物質(zhì)的電性、物性差異作為測試條件，形成反射界面而探測地下目的體。由于襯砌混凝土與圍巖（花崗巖、砂巖、黃土等）之間存在物性差異，缺陷部位襯砌混凝土被水或空氣填充，與密實的混凝土的物性有明顯差異。地質(zhì)雷達通過不同頻率的探測天線發(fā)射不同主頻的電磁波型號，電磁波信號在遇到土層、巖層、固液交界面介電常數(shù)發(fā)生變化的地方（在隧道中在混凝土中傳播中，遇到鋼筋、鋼拱架、空洞、不密實的混凝土界面）都會發(fā)生電磁波的反射，形成反射波信號，反射波信號經(jīng)過傳導(dǎo)被接收天線接收，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可判斷不同地層的水平位置、深度（在隧道襯砌檢測中，反應(yīng)為鋼筋、鋼拱架的分布及混凝土缺陷的位置、深度及范圍）。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

地質(zhì)雷達應(yīng)用了電磁波法來探測地下地質(zhì)體，使用發(fā)射天線定向發(fā)射一定頻率區(qū)段的電磁波，經(jīng)過傳播到目標(biāo)體發(fā)生電磁波反射，形成反射波后被接收天線接收，而實際應(yīng)用期間，反射波信號會受到三種干擾的影響，一是屏蔽天線在理論上只是特定方向發(fā)射電磁波信號，而實際過程中會有部分電磁波信號泄露到其他方向，傳播到周圍的物體（如隧道二襯面、裝修臺車及各類附近的大型機械等）形成反射波信號，反射回形成干擾信號；二是自然界及人類活動中都會產(chǎn)生各種頻段的電磁波信號（如電力線、廣播信號、手機通信信號、廣播電視信號等），接收天線在接收反射波信號的同時，也接受了自然界及人類活動中的電磁波信號，而這些信號在數(shù)據(jù)分析階段成為干擾信號；三是在地質(zhì)雷達發(fā)射信號時，外界條件（如隧底積水、隧道襯砌面潮濕、隧道板之間錯臺等）也會影響發(fā)射信號在介質(zhì)中的傳播，導(dǎo)致隧道反射信號能量的衰減、傳播方向發(fā)生彎折，接收信號的能量降低，影響檢測數(shù)據(jù)的分辨率。

3 原因分析

隧道地質(zhì)雷達無損檢測在隧道中的應(yīng)用主要用于發(fā)現(xiàn)隧道缺陷（包括混凝土質(zhì)量問題、鋼筋及鋼拱架數(shù)量及分布等缺陷），提高隧道檢測的縱橫向分辨率，就是提高目標(biāo)體（混凝土中的不密實、脫空、空洞的缺陷及鋼筋、鋼拱架的分布）的縱橫向分辨率，通過對多座隧道的檢測數(shù)據(jù)的分析及對現(xiàn)場情況進行實地踏勘，找到對隧道數(shù)據(jù)分辨率有關(guān)鍵性影響的主五個關(guān)鍵因素：

1）通信基站干擾

2）電力線干擾

3）裝修臺車干擾

4）隧底積水

5）天線測量跳點干擾

4 問題分析與解決

4.1 通信基站干擾

由于移動通信業(yè)的快速發(fā)展，在隧道施工過程中，為了方便隧道內(nèi)外的通信，越來越多的在建長大隧道安裝了移動通信基站。但由于通信基站電磁信號頻段與隧道內(nèi)無損檢測地質(zhì)雷達所使用的電磁信號頻段有重合，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)受到明顯的電磁干擾。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)采用以下方法的一種或組合使用幾種可有效的避免通信基站的干擾

1）最徹底的方法就是關(guān)閉隧道內(nèi)的通信基站，可完全避免移動信號對雷達信號的影響，值得注意的是：在地質(zhì)雷達天線較長時間放置在已開啟的通信基站附近時，發(fā)射線圈及接收線圈會因為接近強烈的通信基站電磁信號磁場被磁化，導(dǎo)致在一段時間內(nèi)無法正常工作，從而采集不到高分辨率的數(shù)據(jù)，此時需在將雷達防止在無電磁干擾或弱電磁干擾的地區(qū)靜置一段時間方可消除磁化，恢復(fù)采集高分辨率數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

2）通過查閱資料對移動通信基站頻段信息進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三大通信公司（中國移動、中國聯(lián)通及中國電信公司）的基站所用頻段為800MHz～1000MHz、1900MHz～2500MHz及3000MHz～5000MHz三個頻段范圍，而隧道檢測應(yīng)用地質(zhì)雷達為主頻為900MHz，400MHz及200MHz，其中900MHz天線與移動基站的頻段有重合，受到干擾情況最大，而主頻為400MHz及200MHz的天線在探測范圍內(nèi)基本可以避開通信基站的頻段范圍，所以在通信基站干擾區(qū)應(yīng)采用主頻為400MHz及主頻為200MHz的雷達天線，避免使用900MHz天線。

3）通過對干擾數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)進行分析，應(yīng)用FIR帶通濾波器要優(yōu)于其他形式的濾波器，在通信基站干擾信號影響較大的數(shù)據(jù)段應(yīng)用FIR濾波器，選擇帶通濾波器，下限設(shè)置為100MHz，上限設(shè)置為400～600MHz之間，可以將干擾信號壓制到最低，同時很好的保留有效信號，從而得到高分辨率的數(shù)據(jù)。

4.2 電力線干擾

隧道由于施工、照明、排水等需接入電力線，地質(zhì)雷達天線位于電力線附近時由于電力線的電磁感應(yīng)，發(fā)射及接收的電磁波信號會受到電磁干擾，尤其是邊墻或拱腰的電力線完全平行于測線走向，會導(dǎo)致整條測線受到電力線的電磁干擾，對于電力線干擾會造成雷達圖像上雪花狀的高頻干擾，較為有效的解決方法有以下兩種：布設(shè)測線時應(yīng)在滿足檢測要求的情況下，與電力線保持較大垂直距離；在數(shù)據(jù)處理中通過橫向平滑可以將電力線造成的高頻信號壓制，在做橫向平滑時要注意采用適當(dāng)參數(shù)，防止因過度平滑影響有效信號的識別。

4.3 裝修臺車干擾

隧道裝修臺車及注漿臺車是每座施工隧道的必備臺車，由于臺車材料絕大多數(shù)為金屬材質(zhì)，在雷達檢測時，由于信號遇到金屬物體會產(chǎn)生強反射信號，導(dǎo)致在檢測臺車段的檢測信號收到極大的干擾，無法有效識別目標(biāo)體，導(dǎo)致隧道檢測有效信號的分辨率嚴(yán)重下降，而這種強金屬反射信號很難通過后期數(shù)據(jù)處理進行消除，目前較為有效的方法為：將隧道臺車移出檢測區(qū)域，在隧道二次襯砌的檢測時，將裝修臺車移到初支面或?qū)⒀b修臺車移到隧道洞口，待檢測段應(yīng)保證遠離檢測臺車5.0～10.0m以上；對于初期支護的檢測，有很多時候無法避免開檢測臺車時，在布設(shè)測線距離應(yīng)距檢測臺車施工站立平臺1.5m以上。

4.4 隧底積水

在富水地層或地下水較豐富的山區(qū)，由于排水不暢或地下水水量過大等原因，會造成隧底積水，隧底積水會使電磁波信號能量嚴(yán)重衰減，影響到隧道雷達信號的探測深度，單純的通過調(diào)節(jié)信號增益等方法容易出現(xiàn)虛假異常信號，隧底積水會使電磁波能量衰減速度變快，導(dǎo)致深部能量小，探測深度變小，縱向分辨率變低，但由于仰拱混凝土一般為1.0～2.0m厚，厚度大，所以做好仰拱面檢測要將仰拱面積水清理干凈，對于清理后依舊潮濕的隧道底板檢測需同時采用主頻為400MHz及主頻為200MHz天線進行檢測，既可以用400MHz天線探測來彌補200MHz天線的分辨率較低的問題，又可以用200MHz天線來彌補400MHz天線探測深度淺的問題。

4.5 天線測量跳點干擾

由于隧道施工模板臺車的老化變形、拼裝模板的剛度低等原因，會造成隧道環(huán)形施工縫的錯縫或錯臺，在檢測過程中雷達天線不能密貼檢測面，在雷達圖像上顯示為數(shù)據(jù)跳點，而在實際檢測中發(fā)現(xiàn)隧道環(huán)形施工縫處易出現(xiàn)鋼筋布設(shè)及混凝土脫空及欠厚缺陷，所以做好接縫處的雷達探測是必要的，消除跳點的辦法需先畫出隧道檢測測線，然后對測線通過的錯縫或錯臺處，用打磨機磨平后，是接縫之間的差值小于0.5cm，不影響連續(xù)檢測要求時再進行檢測，同時在現(xiàn)場記錄中要記錄好被打磨點的位置，監(jiān)測因打磨引起的混凝土欠厚。

5 結(jié)語

地質(zhì)雷達方法自上世紀(jì)開始使用代至今，已被廣泛應(yīng)用到考古、勘探、建筑、公路、鐵路等各個行業(yè)隨著我國工程建設(shè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，隧道工程的地質(zhì)雷達無損檢測應(yīng)用急劇擴大，如何有效的采集隧道檢測數(shù)據(jù)，提高隧道檢測縱橫向分辨率也成為了行業(yè)內(nèi)一個熱門話題，本人結(jié)合多年工作經(jīng)驗，結(jié)合數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場實地檢測方法，討論了對地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)造成明顯干擾的幾個方面：通信基站干擾、電力線干擾、裝修臺車干擾、隧底積水及天線測量跳點干擾，并針對各個干擾對數(shù)據(jù)的影響進行分析，提出了多種有效且易實施的解決方案，在一定程度上解決了如何提高提高隧道無損檢測縱橫向分辨率的問題。