地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用
——以云南某高速公路隧道為例

蔡一超，李曉猛，羅 瑛，施汝軍

1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650011

2.保山公路局，云南 保山 678000

3.云南云嶺公大公路工程有限公司，云南 昆明 650034

1 地質(zhì)雷達工作原理

高頻電磁可以在發(fā)射天線的支持下通過寬帶脈沖形式輸入地下，在不同電性的地下地層或者目標反射之后，高頻電磁按照一定路線返回地表，接收天線接收這一信號；接下來，通過對時域波形采集、處理與分析，判定地下界面或者地質(zhì)體的構(gòu)成情況和位置。在這一過程中，需要通過一個天線對地發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，并需要另外設(shè)置一個天線，接收經(jīng)過地下反射和折射后的電磁波、地表直達的電磁波和干擾電磁波。由此可見，在使用GPR進行隧道襯砌質(zhì)量檢測的過程中，需要保證電磁波發(fā)射和接收盡量不受外界干擾，以免影響隧道襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果的精準性。

2 GPR在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用方法

2.1 GPR測試方法

在隧道襯砌質(zhì)量檢測中，使用GPR進行檢測的方法主要包括環(huán)形法、寬角法、多天線法、剖面法、三維定位法等。其中，三維定位法注重測試對象的三維空間信息獲取，可以增強定位的準確性，但并未大范圍推廣使用。剖面法是目前最為常用的檢測方法，一般將多次覆蓋技術(shù)與之相結(jié)合應(yīng)用，以強化實際應(yīng)用效果。這一方法屬于發(fā)射天線與接收天線通過固定間距沿著測線同時移動的方法。如果發(fā)射天線與接收天線之間距離為零，則二者可以“合二為一”，形成單天線模式，否則為雙天線模式。使用剖面法產(chǎn)生的測試結(jié)果可以通過GPR時間剖面圖展示，其橫坐標表示天線在地表、襯砌面的位置，縱坐標代表反射波雙程走勢，可以基于此得出電磁波從發(fā)射到回收的時間。與此同時，通過這一記錄方式，可以了解測線下方不同反射界面的形態(tài)。但是，受到地下介質(zhì)對電磁波吸收作用的影響，地下深處界面的反射波信噪比減小，識別難度增加。為了有效解決這一問題，可以采取重復(fù)測試的方法，將測試中相同位置記錄進行疊加處理，強化對地下深部介質(zhì)的分辨率。

2.2 信號處理方法

通常情況下，天線接收過程中得到的反射波特征越多，越有利于提高隧道襯砌檢測質(zhì)量，常用寬頻帶進行記錄。因此，在對有效波進行記錄時，也摻雜了一些干擾波，從而導(dǎo)致記錄的圖形難以真實的反映目標體實況。除此以外，地下介質(zhì)可以等同為一個復(fù)雜的濾波器，當(dāng)電磁脈沖達到天線位置時，波的幅度減小，測得的波形并不能精準的反映原始反射波，因此需要對雷達接收的信號進行處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。具體的處理方法包括去直流漂移、時間—增益濾波、平均濾波、抽取平均道、帶通濾波、背景去除濾波、自動增益控制等。

2.3 襯砌厚度計量方法

在使用GPR進行隧道襯砌質(zhì)量檢測時，將電磁波傳播速度作為已知量，然后基于電磁波的發(fā)射與返回時間，進行隧道襯砌厚度計量，具體的計算公式如下：

式中：D為測點的襯砌厚度；v為電磁波傳播的速度；t為電磁波發(fā)射到返回的時間。

經(jīng)試驗研究，電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度各有不同，存在物性差異，詳細情況如表1所示。在實踐應(yīng)用過程中，可以根據(jù)不同介質(zhì)的物性情況，合理設(shè)置傳播速度。

表1 主要借助介質(zhì)的物性特點

3 GPR在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用實例

3.1 案例概況

以云南某高速公路隧道為例，其長度為3.6km，屬于復(fù)合式襯砌模式。通過實踐研究，該地區(qū)降水量較多，事故發(fā)生率較高，因此對于隧道襯砌方面的質(zhì)量要求較高，必須加強質(zhì)量檢測的精準性，為相關(guān)策略制訂提供有效支持。

3.2 測線設(shè)置

在使用GPR檢測隧道不同位置的施工質(zhì)量時，必須保證監(jiān)測數(shù)據(jù)真實、全面、精準，否則將導(dǎo)致檢測工作失去實效。因此，必須合理進行測線設(shè)置，原則如下：（1）不宜過多，否則會增加測試工作量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)繁雜，增加處理難度；（2）不宜過少，否則難以保證數(shù)據(jù)獲取的全面性；（3）合理布置測線，避免其產(chǎn)生交叉的情況。基于此，對案例工程項目的測線布置如圖1所示。測線位置處于隧道拱頂、左側(cè)拱部、右側(cè)拱部、左側(cè)邊墻、右側(cè)邊墻，共計5條。

圖1 隧道檢測測線布置

3.3 數(shù)據(jù)采集

在檢測中，為了保證點位精準，在隧道壁上每隔5m做一個標記，并準確標明里程。當(dāng)天線與某一個標記對準時，操作人員向儀器中輸入信號。在雷達記錄中，每隔5m做一個小標記，在50m或100m的位置做一個大標記。當(dāng)內(nèi)業(yè)進行資料整理時，基于標記和記錄的首標、末標、工作區(qū)間的歷程，在雷達時間剖面圖中明確標出里程樁的號碼。此次研究中的技術(shù)參數(shù)設(shè)置如表2所示。除此之外，還需要分析數(shù)據(jù)采集過程中的干擾因素，保證測量過程中數(shù)據(jù)采集工作順利開展，減少因干擾帶來的質(zhì)量檢測誤差。為了實現(xiàn)這一目標，進行檢測結(jié)果校正。

表2 技術(shù)參數(shù)表

3.4 資料處理

將收集的雷達數(shù)據(jù)輸送至計算機中，通過專業(yè)的GPR處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，如濾波、褶積處理等，從而實現(xiàn)壓制干擾波、增強信息有效性的目的。在這一過程中，波形處理屬于重點內(nèi)容，具體包括強化有效信號、壓制隨機噪聲、抑制非異常體雜亂回波、提高圖像分辨率和信噪比等，得出清晰、準確的雷達圖像。

3.5 處理結(jié)果

根據(jù)上述的方法進行數(shù)據(jù)處理，得出案例工程隧道襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果。（1）鋼筋分布檢測結(jié)果。通過對鋼筋檢測結(jié)果進行整理和分析可知，這一現(xiàn)象多發(fā)生在使用鋼筋混凝土實施襯砌支護的明洞段以及圍巖類別低等的地段。在襯砌中使用的鋼筋導(dǎo)電性較好，可以對雷達信號產(chǎn)生較強的反射效果?？偨Y(jié)圖像異常的表現(xiàn)可知，具體由多點狀信號亮點構(gòu)成，分布具有規(guī)則性，且處于梳狀模式，每個亮點分別與一條鋼筋相對應(yīng)。（2）內(nèi)部裂縫檢測結(jié)果。在實際測試過程中，圍巖與混凝土的介電常數(shù)存在較大差異，可以從圖像上較直觀地辨識二者之間的分界面。在進行隧道二襯施工時，受到多種因素影響，如技術(shù)因素、材料因素、環(huán)境因素、操作因素等，將會產(chǎn)生裂縫，裂縫的數(shù)量、大小、性質(zhì)等皆會影響襯砌的防水和承載能力。通過對案例項目進行檢測，隧道左洞拱腰K34+552～K34+558段初砌開裂較為明顯，在存在裂縫的位置GPR反射波層面發(fā)生斷裂，波形規(guī)則性較差，與附近的圖像之間協(xié)調(diào)性較差。（3）混凝土黏結(jié)程度檢測結(jié)果。隧道襯砌施工過程中，引發(fā)混凝土內(nèi)部黏結(jié)密實性較差的原因較多，具體包括施工工藝、混凝土質(zhì)量等，會對電磁波產(chǎn)生較強的反射效果，但反射并不會出現(xiàn)雙曲線狀態(tài)。通過實測結(jié)果總結(jié)其特征可知，具體表現(xiàn)在振幅發(fā)生較大變化，相比附近的反射面，振幅增加效果突出，且反射界面存在錯段情況，規(guī)則性較差。

4 結(jié)束語

在使用GPR進行隧道襯砌質(zhì)量檢測的過程中，應(yīng)根據(jù)檢測對象的實際情況，合理進行測試方法選擇、測試參數(shù)設(shè)置、測線設(shè)計，并注重數(shù)據(jù)信息采集的全面性、真實性、有效性，從而為隧道襯砌質(zhì)量檢測提供有力的依據(jù)。與此同時，還需要注重對檢測結(jié)果的分析，為隧道襯砌施工質(zhì)量提升和具體方案選擇提供有力支持，從而提高隧道襯砌質(zhì)量，減少病害問題發(fā)生。