探地雷達(dá)在隧道檢測(cè)技術(shù)中的波形識(shí)別

朱 浩，牟 勇

(貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550004)

1 探地雷達(dá)系統(tǒng)組成和波性特征的基本分析

介質(zhì)電磁性質(zhì)，直接關(guān)系到電磁波于不同類型介質(zhì)中傳播、折射及反射的規(guī)律等情況，經(jīng)使用電磁波于工程介質(zhì)中傳播，產(chǎn)生電磁性質(zhì)方面差異界面則會(huì)產(chǎn)生反射情況。國(guó)內(nèi)、外不同型號(hào)探地雷達(dá)組成極為相似，多通過(guò)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)，以及天線和信號(hào)處理機(jī)等構(gòu)成，探地雷達(dá)系統(tǒng)可將高頻電磁波，通過(guò)寬頻帶脈沖的方式以發(fā)射天線——被探測(cè)物發(fā)射，這一雷達(dá)脈沖于被探測(cè)物質(zhì)傳播于各種介質(zhì)交界面，一些雷達(dá)波能量反射后經(jīng)接收天線所接收，電磁波實(shí)際傳播期間路徑、電磁強(qiáng)度、波形等，會(huì)受到介質(zhì)電的性質(zhì)、幾何形態(tài)改變而發(fā)生一定變化，結(jié)合反射信號(hào)時(shí)延、形狀，以及頻譜特性等情況來(lái)看，能解譯目標(biāo)深度、介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等相關(guān)情況。在此之后，使用數(shù)字圖像恢復(fù)技術(shù)、重建技術(shù)處理探測(cè)目標(biāo)成像，探地雷達(dá)發(fā)射天線、接收天線，經(jīng)固定距離順著測(cè)線移動(dòng)，記錄點(diǎn)處于天線中間位置，雷達(dá)圖形不同點(diǎn)會(huì)順著測(cè)線鉛垂方向，采取脈沖反射波波形形式作以相應(yīng)的記錄，進(jìn)而形成雷達(dá)剖面。探地雷達(dá)發(fā)射電磁波介質(zhì)傳播的過(guò)程，容易受到傳播距離增加因素影響而發(fā)生降低狀況，所以進(jìn)行采集數(shù)據(jù)分析的過(guò)程，應(yīng)處理好電磁波信號(hào)并及時(shí)補(bǔ)充損失能量。各種介質(zhì)介電常數(shù)比較區(qū)別較大，電磁波處于各種介質(zhì)傳播會(huì)在界面產(chǎn)生反射現(xiàn)象、入射現(xiàn)象，介質(zhì)介電常數(shù)存在的差異更大、反射則更顯著。這時(shí)，探地雷達(dá)使用該原理實(shí)行質(zhì)量缺陷探測(cè)，空氣介電常數(shù)、混凝土介電常數(shù)及水介電常數(shù)情況具體如表1。需要注意的是金屬介電常數(shù)較大，電磁波、金屬就更容易產(chǎn)生反射情況，建議在混凝土隱蔽工程缺陷探測(cè)中應(yīng)用。質(zhì)量檢測(cè)即為對(duì)初期支護(hù)、襯砌混凝土厚度、空洞等檢測(cè)，隧道混凝土局部空洞/未達(dá)到密實(shí)的效果，電磁波會(huì)經(jīng)混凝土中及空氣中，不同介質(zhì)介電常數(shù)差異較大，界面反射非常強(qiáng)烈可經(jīng)增益、選取平均值的方式處理，如此一來(lái)空洞位置會(huì)于疊加波形圖上利于觀察。分層界面圍巖、襯砌層間雷達(dá)波形的頻率差異突出，襯砌介質(zhì)比較均勻，一般為低頻弱反射波，襯砌和圍巖、初支、二襯間有一定縫隙，所以能為分解層面提供數(shù)據(jù)支持。襯砌缺陷常見(jiàn)空洞、脫空缺陷，電磁波于空洞中反射，反射波持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)，欠密實(shí)波形雜亂且反射非常多，波形為分散的狀態(tài)。金屬類物體所致反射波較強(qiáng)，非金屬類物體波形較強(qiáng)為拋物線狀，隧道環(huán)向水管通常易形成這一波形的信號(hào)。

表1 介電常數(shù)情況分析

2 探地雷達(dá)隧道檢測(cè)數(shù)據(jù)采集情況研究

探地雷達(dá)有較多頻率的天線，而天線的頻率更高、探測(cè)深度則更深、分辨率則會(huì)更低。針對(duì)于此，隧道檢測(cè)過(guò)程應(yīng)結(jié)合檢測(cè)內(nèi)容采用適合頻率天線處理，比如：SIR-30E型探地雷達(dá)和配套天線，一般來(lái)講實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)期間需對(duì)參數(shù)采集模式、時(shí)間窗口，以及增益方式和大小、濾波等進(jìn)行設(shè)定。實(shí)際采集數(shù)據(jù)前作以波速標(biāo)定，距離采集的過(guò)程落實(shí)相應(yīng)的距輪標(biāo)定測(cè)定工作，隧道初支檢測(cè)可使用900 mHz天線，第二次選擇400 mHz天線，設(shè)定為距離采集的模式。時(shí)窗結(jié)合初支厚度選擇檢測(cè)深度在1.2倍左右，掃描樣點(diǎn)數(shù)則需選擇大一點(diǎn)的，然而采集數(shù)據(jù)時(shí)間會(huì)相應(yīng)的延長(zhǎng)。每秒掃描數(shù)選擇較大值，這個(gè)過(guò)程容易受到儀器、掃描樣點(diǎn)數(shù)所影響，在選用自動(dòng)增益之后通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)整檢測(cè)目標(biāo)，增益點(diǎn)數(shù)的話則需要結(jié)合時(shí)窗的大小確定，如果視窗較短可選擇3點(diǎn)增益，時(shí)窗較長(zhǎng)建議選擇5點(diǎn)增益。此外，增益大小調(diào)節(jié)情況能夠提高反射性好強(qiáng)度，增益過(guò)大容易發(fā)生信號(hào)削頂現(xiàn)象，反之增益過(guò)小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰弱，濾波主要包括垂向及水平濾波，前者高通頻率選擇天線頻率8%左右，而低通頻建議選用高于2.5倍左右的天線頻率。

3 探地雷達(dá)在隧道檢測(cè)技術(shù)波形識(shí)別中的應(yīng)用情況解析

以珠江隧道為例，其處于廣州西南白鵝潭西部河道，作為廣州市地鐵一號(hào)線芳村區(qū)進(jìn)到中心區(qū)主要通道，隧址位置江面寬度約為420 m、下面為紅砂巖，全隧道經(jīng)北岸黃沙段、河中段、南岸芳村段幾個(gè)部分構(gòu)成。河中段高度、寬度分別為10 m、30 m，內(nèi)部存在兩孔機(jī)動(dòng)車道孔，地鐵隧道河中段長(zhǎng)度為450 m，主要通過(guò)5節(jié)沉管法進(jìn)行施工，北岸黃沙段長(zhǎng)度、南岸芳村段長(zhǎng)度分別為：60 m、425 m。

3.1 隧道初支檢測(cè)情況

斜山隧道左洞樁號(hào)初期支護(hù)雷達(dá)剖面，工字鋼性鋼拱架信號(hào)一般為傘形強(qiáng)反射信號(hào)，傘形分散比較明顯造成的影響非常大。而處置、圍巖間的信號(hào)振幅較小，波形同相軸整齊、連續(xù)，沒(méi)有觀察到畸形現(xiàn)象表示分層界面密實(shí)沒(méi)有缺陷。

3.2 二次襯砌檢測(cè)情況

隧道二次襯砌易受到圍巖級(jí)別影響，圍巖級(jí)別如果為I～I(xiàn)II級(jí)表示整體性能較佳，自穩(wěn)能力非常強(qiáng)的圍巖主要為素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，初支、二襯不需加筋處理。襯砌界面、圍巖分層界面便于觀察，沒(méi)有發(fā)生反射信號(hào)波形現(xiàn)象，而且混凝土、圍巖能保持緊密貼合的狀態(tài)。實(shí)際進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)期間圍巖、混凝土電性有著較大的差異，若電性差異基本相同可采取濾波+局部增益、相位追蹤等方式評(píng)判分層界面。襯砌脫空缺陷的發(fā)生使得空氣、混凝土、圍巖等波阻抗差異過(guò)大，這時(shí)反射波信號(hào)較強(qiáng)，會(huì)對(duì)下部信號(hào)構(gòu)成非常大的影響、容易識(shí)別。如果為V～I(xiàn)V級(jí)、軟脫破碎帶性能不佳、自穩(wěn)能力差的圍巖，初期支護(hù)中可添加工字鋼、格柵鋼作以拱架支撐，后期二襯中添加鋼筋網(wǎng)、二襯安全儲(chǔ)備，雷達(dá)剖面鋼筋波形信號(hào)為反射弧的狀態(tài)，主要表現(xiàn)：連續(xù)小雙線形較強(qiáng)的反射性好，反射波、表面反射波為同相，一般會(huì)在兩板二襯施工接縫位置發(fā)現(xiàn)三角空洞，受到鋼筋影響無(wú)法客觀評(píng)判脫空、欠密實(shí)情況，經(jīng)掃描數(shù)、數(shù)字濾波，以及變換等方法處理，如果必要建議經(jīng)鉆孔方式驗(yàn)證。欠密實(shí)缺陷、脫空缺陷下，雷達(dá)信號(hào)波形為同相軸能夠顯示繞射弧形的狀態(tài)，信號(hào)強(qiáng)、分散無(wú)法保持連續(xù)，同時(shí)反射波中有較多的多次波、持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)，因而容易產(chǎn)生嚴(yán)重脫空的問(wèn)題，隧道工程相關(guān)人員需引起重視。

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，探地雷達(dá)隧道檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道檢測(cè)中，不但能及時(shí)對(duì)隧道施工質(zhì)量評(píng)判，在第一時(shí)間明確隧道襯砌質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)，而且能夠加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用高效、簡(jiǎn)便、無(wú)損，所以建議在隧道工程檢測(cè)中廣泛應(yīng)用、推廣，以此充分發(fā)揮出該項(xiàng)技術(shù)的最大應(yīng)用價(jià)值。