地質(zhì)雷達在公路隧道工程檢測中的應(yīng)用

張鵬

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司，甘肅蘭州730000）

0 引言

當(dāng)前，在我國公路建設(shè)過程中，公路隧道工程的施工質(zhì)量對于公路工程的建設(shè)質(zhì)量影響較為明顯。如果公路隧道施工質(zhì)量出現(xiàn)問題，會影響整個公路的通行順暢程度，嚴(yán)重時導(dǎo)致隧道坍塌，堵塞公路交通，造成額外的經(jīng)濟損失以及人員傷亡，因此需要重視公路隧道工程的施工質(zhì)量控制工作。地質(zhì)雷達檢測技術(shù)作為當(dāng)前常見的公路隧道檢測技術(shù)之一，是一種物探手段，不會對現(xiàn)有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何破壞，并且檢測精度高、時間短，但對操作人員專業(yè)技能以及綜合素質(zhì)要求較高。因此，加強地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在公路隧道工程檢測中的應(yīng)用研究意義重大。

1 地質(zhì)雷達檢測技術(shù)的工作原理

地質(zhì)雷達檢測技術(shù)作為當(dāng)前應(yīng)用較多的地球物理檢測技術(shù)之一，是利用一定頻率的電磁波對地下介質(zhì)分布情況實施精準(zhǔn)探測。地質(zhì)雷達檢測技術(shù)主要利用發(fā)射天線定向發(fā)射高頻率電磁波，當(dāng)電磁波接觸到電性差異大的地層或物體時，會在接觸表面產(chǎn)生明顯反射，利用雷達天線實時接收這些反射信號，雷達天線可沿待檢結(jié)構(gòu)物表面連續(xù)移動，所測的每個測點的時間曲線可以匯成時間剖面圖像，就能直觀地反映各種不同的反射面。再通過專用軟件對接收的反射波進行處理解譯，便可依據(jù)反射波波形、振幅、頻率、相位及傳播時間等參數(shù)，準(zhǔn)確定位物體的結(jié)構(gòu)以及空間位置。

通常電磁波在傳播過程中會出現(xiàn)一定程度的衰減，而衰減程度與物體埋深、介質(zhì)電性差異等方面相關(guān)。如果介質(zhì)電性差異越大，接觸界面反射信號清晰度越高，并在雷達剖面圖上表現(xiàn)出同向軸不連續(xù)的情況，由于不同地層介質(zhì)介電常數(shù)、分布形態(tài)的差異，電磁波在其中傳播時表現(xiàn)為不同的特征。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)組成單一時，在雷達圖像上反映為同相軸連續(xù)、波形規(guī)則，波長較短；如果地下介質(zhì)由不同的介質(zhì)體組成，它們之間存在介電常數(shù)差異，對電磁波的傳播產(chǎn)生影響，從而形成各種不同形態(tài)的雷達圖像[1]。

2 公路隧道工程檢測中地質(zhì)雷達檢測技術(shù)的使用步驟

2.1 前期準(zhǔn)備工作

在公路隧道工程施工階段，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)應(yīng)用作業(yè)前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對于地質(zhì)雷達設(shè)備進行檢驗及性能評估，確保地質(zhì)雷達設(shè)備能夠正常使用，防止在檢測過程中發(fā)生設(shè)備損壞等問題。同時，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合被測物體特征，選擇合適的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如天線頻率、采集模式、時窗大小、增益、帶通濾波等，利用反復(fù)檢測以及多項檢測等方式，對于地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)檢測精準(zhǔn)度進行檢驗，確保其滿足公路隧道工程的檢測要求。

2.2 地質(zhì)雷達檢測線路布置

在使用地質(zhì)雷達前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)參照現(xiàn)場隧道走向、斷面面積及地質(zhì)條件等信息，根據(jù)檢測目標(biāo)以及檢測內(nèi)容選擇合理的檢測線路。一般來說，地質(zhì)雷達檢測線路布置形式分為單點檢測、網(wǎng)格測線及縱向連續(xù)測線等。在隧道超前地質(zhì)預(yù)報檢測時，多采用井字形網(wǎng)格測線形式。在隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測時，多采用沿隧道拱頂、拱腰及邊墻布置多條縱向連續(xù)測線形式[2]。

2.3 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集以及分析功能作為地質(zhì)雷達檢測技術(shù)應(yīng)用的核心功能之一，實際在地質(zhì)雷達檢測過程中，數(shù)據(jù)采集及分析相關(guān)參數(shù)應(yīng)該合理設(shè)置，避免分析成像模糊以及數(shù)據(jù)偏離。技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)探測深度以及介質(zhì)傳播速度，合理估計相關(guān)參數(shù)，參照現(xiàn)場情況確定檢測方式。當(dāng)前地質(zhì)雷達濾波器主要分為手動及自動設(shè)置方式，其中自動設(shè)置方式應(yīng)用較多?；趯嶋H現(xiàn)場需要，技術(shù)人員手動調(diào)校時，可選擇高通以及低通調(diào)校模式。如果地質(zhì)雷達成像結(jié)果清晰度不足時，特別是最終結(jié)果噪點數(shù)量多且存在其他干擾時，可使用濾波器實施信號處理，盡量將低通調(diào)低，高通調(diào)高。如果濾波器設(shè)置通過頻率范圍過小時，一些有用信號也會被過濾，致使信號數(shù)據(jù)發(fā)生顯著偏離及失真，此時需采用反向調(diào)節(jié)方式增加信號寬度。現(xiàn)階段，增益調(diào)試模式包括自動及手動模式，其中手動調(diào)試模式應(yīng)用較多，直達波及反射波位置確定以及調(diào)試工作較為重要，直達波位置調(diào)校不到位，回波圖完整度則會受到明顯影響[3]。

2.4 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)解釋

在實際數(shù)據(jù)分析階段，技術(shù)人員利用專業(yè)軟件對于地質(zhì)雷達波形圖進行處理。地質(zhì)雷達剖面圖采用最大分辨率顯示反射波，再利用反射波振幅、波形等參數(shù)實施波譜分析，最終形成地質(zhì)雷達檢測結(jié)果。

2.4.1 波譜分析

根據(jù)波譜分析理論，反射波反射系數(shù)R 主要依據(jù)菲涅爾公式進行計算。

式（1）中：ε1、ε2分別為反射界面上、下兩層介質(zhì)的介電常數(shù)。

反射系數(shù)越大則說明介質(zhì)的介電常數(shù)差異性越大，反射波能量越大，反射越強烈，兩側(cè)介質(zhì)的屬性均可利用反射波的反射振幅進行具體判斷。

同時，也可利用反射波的相位對介質(zhì)進行判定。如果反射波從低介電常數(shù)介質(zhì)向高介電常數(shù)介質(zhì)方向傳播時，反射系數(shù)表現(xiàn)為負數(shù)，說明反射波的相位和入射波相反，為負相位。反之，反射波由高介電常數(shù)介質(zhì)向低介電常數(shù)介質(zhì)傳播時，反射波的相位為正相位，并與入射波振幅方向相同，以此可以判斷界面兩側(cè)介質(zhì)的屬性及反射方向[4]。

一般來說，不同介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征具有明顯的差異性，而反射波頻率特征也不相同，根據(jù)這些特性可以對被測物體的表面實施有效區(qū)分。以巖石和混凝土比較來說，混凝土較為均勻，成分較為單一，入射波能量衰減小，其內(nèi)部反射波強度較弱，基本無反射，頻率多為中—高頻，通常在混凝土內(nèi)部缺陷位置才會產(chǎn)生反射波。在地質(zhì)雷達圖像處理過程中，反射信號傳播至連續(xù)介質(zhì)時，則會形成同向軸，而根據(jù)同向軸的形態(tài)、時間、強弱和方向等諸多數(shù)據(jù)，技術(shù)人員能夠分析評估被測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。通常同向軸形態(tài)與地下埋設(shè)物質(zhì)界面形態(tài)具有一定的差異性，尤其基于邊緣反射效應(yīng)，邊緣形態(tài)實際差異較為明顯，以單獨的地下埋設(shè)物為例，其反射同向軸具體表現(xiàn)為拋物線，并且拋物線開口向下。

2.4.2 雷達探測深度對于數(shù)據(jù)分析的影響

在地質(zhì)雷達檢測階段，隨著雷達探測深度的逐步增加，雷達信號強度也會明顯減弱。因此，針對這種情況，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)利用數(shù)字濾波以及相關(guān)系數(shù)調(diào)整等方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。如果雷達探測深度相對較遠時，需要采用水平濾波器和垂直濾波器雙重濾波，確保掃描效果。地質(zhì)雷達的有效探測深度與雷達天線的中心頻率成反比，而檢測精度與天線的中心頻率成正比。在隧道超前地質(zhì)預(yù)報時，多采用50～100MHz的天線，有效探測深度可達20～30m；在隧道襯砌厚度及密實度檢測時，多采用400～500MHz 的天線，有效探測深度可達1～2m；在隧道襯砌鋼筋檢測時，多采用900～1000MHz 的天線，探測深度達0.3～0.5m。

3 公路隧道檢測過程中地質(zhì)雷達檢測技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 襯砌混凝土厚度檢測

在襯砌混凝土厚度檢測過程中，傳統(tǒng)檢測方法，如鉆芯法，會對鋼筋混凝土產(chǎn)生明顯的破壞，且容易破壞隧道的防排水系統(tǒng)，對于整體工程質(zhì)量影響較大，容易造成運營期隧道發(fā)生滲漏水，并且檢測結(jié)果代表性較差。基于這種情況，目前在國內(nèi)公路隧道建設(shè)領(lǐng)域，已大量應(yīng)用地質(zhì)雷達檢測技術(shù)，對襯砌混凝土厚度實施有效檢測。應(yīng)用該技術(shù)不會對于混凝土整體性造成破壞，并且雷達檢測具有明顯的連續(xù)性，使實際檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度更高。因此，目前地質(zhì)雷達檢測技術(shù)已逐漸成為公路隧道工程重要的質(zhì)檢方法。地質(zhì)雷達檢測襯砌混凝土厚度圖像，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達檢測襯砌混凝土厚度圖像

3.2 混凝土缺陷情況檢測

通常在公路隧道工程施工過程中，由于超挖嚴(yán)重、初噴混凝土平整度差、混凝土和易性差及澆筑工藝不合理等原因，襯砌混凝土經(jīng)常發(fā)生密實度低、脫空面積大以及空洞數(shù)量多等缺陷問題。針對這些情況，傳統(tǒng)的破損檢測方法難以滿足質(zhì)量控制需求，因此采用地質(zhì)雷達檢測技術(shù)重點檢測混凝土缺陷情況已成為一種必不可少的檢測手段。一般來說，在混凝土空洞內(nèi)存在大量空氣，如電磁波從襯砌進入空氣時，介電常數(shù)波動較為明顯，進而產(chǎn)生一定的反射波。而且處于空氣介質(zhì)中，電磁波衰減幅度較小，會在空洞中出現(xiàn)多次反射情況，呈現(xiàn)特定的波形特征，通過這些波形特征便可確定混凝土的缺陷情況（見圖2）。

圖2 典型襯砌缺陷雷達圖像

3.3 鋼支撐位置以及數(shù)量檢測

當(dāng)前混凝土內(nèi)部鋼支撐位置以及數(shù)量檢測時，均利用地質(zhì)雷達檢測技術(shù)實施檢測作業(yè)。由于鋼支撐密度相對較高，地質(zhì)雷達發(fā)出的電磁波遇到鋼材后會產(chǎn)生強烈的反射波。這些反射波利用軟件數(shù)據(jù)處理則會生成相應(yīng)的反射圖像，見圖3。如果地質(zhì)雷達檢測出混凝土中有鋼支撐，其反射波會呈現(xiàn)明顯的月牙形，每個反射波表明1 榀鋼支撐以及其在混凝土中的具體位置。因此，通過地質(zhì)雷達檢測技術(shù)，技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確判定被檢測位置的施工質(zhì)量是否達標(biāo)，從而顯著提升整體施工質(zhì)量的檢測效率，減少人工檢測工作量以及檢測成本。

圖3 初期支護鋼支撐雷達圖像

3.4 隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用

在隧道施工過程中，會遇到復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，僅僅依靠設(shè)計階段的地勘報告很難準(zhǔn)確把握隧道掌子面前方圍巖的具體情況。如果在不清楚圍巖的情況下，貿(mào)然開挖，極易發(fā)生塌方、突水、涌泥等安全事故，造成惡劣的社會影響和嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。目前地質(zhì)雷達檢測技術(shù)已成為隧道超前地質(zhì)預(yù)報，尤其是中短距離預(yù)報最常用的方法之一，可廣泛應(yīng)用于對斷層破碎帶、巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、軟弱夾層以及地下水等不良地質(zhì)的預(yù)測預(yù)報。電磁波在完整巖體中傳播時，入射波能量衰減慢，基本無反射。反射波特征為：波長短，頻率高，振幅小，波形較規(guī)律，無強反射界面。當(dāng)電磁波遇到上述不良地質(zhì)體時會產(chǎn)生強反射波，反射波的波長、頻率、振幅和同相軸會發(fā)生不同的變化，可以根據(jù)波形特征和參數(shù)判斷前方圍巖中不良地質(zhì)體的規(guī)模、位置和發(fā)育程度。為施工提供依據(jù)，提前采取措施，降低安全事故的發(fā)生率。

4 地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在公路隧道檢測中的應(yīng)用優(yōu)化

當(dāng)前在工程質(zhì)量檢測過程中，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，特別是在公路隧道施工質(zhì)量檢測方面，能夠?qū)λ淼朗┕べ|(zhì)量進行綜合評估。在具體技術(shù)應(yīng)用過程中，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)檢測的精準(zhǔn)度、圖像分辨率、后續(xù)軟件處理效率以及探測密度等均可精準(zhǔn)調(diào)整，可在較短時間內(nèi)檢測出公路隧道的施工質(zhì)量，并且地質(zhì)雷達檢測技術(shù)操作簡單，使用成本低。但不同的檢測技術(shù)應(yīng)用范圍具有一定的差異性，而且地質(zhì)雷達檢測技術(shù)自身存在一些缺陷以及待優(yōu)化部分。地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在公路隧道檢測過程中應(yīng)用的不足之處包括兩個方面。

一是隧道襯砌厚度值與電磁波在混凝土中的傳播速度具有必然的關(guān)聯(lián)性。在實際襯砌厚度檢測時，工作人員主要利用自身經(jīng)驗對于電磁波速度進行實時調(diào)節(jié)，誤差較大，受工作人員的工作經(jīng)驗、技術(shù)能力等諸多方面因素影響較為明顯。因此，需優(yōu)化算法或增加新設(shè)備用于精準(zhǔn)調(diào)控電磁波傳播速度。

二是受表層鋼筋多次反射干擾的影響。在地質(zhì)雷達檢測時，電磁波在反射過程中形成大量的信息數(shù)據(jù)，再通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析確定鋼筋背后結(jié)構(gòu)情況，而天線與鋼筋之間的電磁效應(yīng)較強烈，以及表層鋼筋出現(xiàn)多次反射情況，均會對鋼筋結(jié)構(gòu)的判斷產(chǎn)生顯著影響。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前我國公路隧道工程建設(shè)數(shù)量不斷增加?；谔嵘┕ぐ踩约笆┕べ|(zhì)量的目的，很多施工單位已引入地質(zhì)雷達檢測技術(shù)對工程進行有效檢測。地質(zhì)雷達檢測技術(shù)針對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)實施有效掃描，并根據(jù)掃描數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖譜，再根據(jù)圖譜分析確定公路隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全隱患、襯砌厚度、脫空以及密實度等情況。根據(jù)實際檢測結(jié)果，施工人員能夠制定相應(yīng)的處理措施，確保整體工程的施工質(zhì)量，提升隧道使用的安全性以及穩(wěn)定性，并在一定程度上減少隧道日常維護工作量。