影響地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌檢測精度的原因及解決方法探析

張康喬

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 100041）

1 引言

目前，隧道襯砌無損檢測大多采用地質(zhì)雷達(dá)，而在使用過程中因檢測環(huán)境、儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集處理以及檢測人員水平等各種因素的影響，往往造成檢測結(jié)果存在一定誤差。只有了解地質(zhì)雷達(dá)的工作原理、檢測過程存在的干擾因素、影響檢測精度的原因，并結(jié)合檢測情況采取一定的措施，才能提高地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測中的精度。

2 地質(zhì)雷達(dá)原理簡述

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用高頻電磁波技術(shù)探測地下物體的電子設(shè)備。地質(zhì)雷達(dá)天線發(fā)射端發(fā)射出中心頻率為12.5～1 200 MHz、脈沖寬度為0.1 ns 的脈沖電磁波信號(hào)，電磁波在穿過不同介質(zhì)時(shí)的直達(dá)信號(hào)和反射信號(hào)通過地質(zhì)雷達(dá)檢測天線接收端輸入雷達(dá)主機(jī)，信號(hào)放大后由示波器顯示出來。在電磁波傳輸過程中，不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同，對(duì)電磁波信號(hào)吸收、反射程度不同，所以在傳播過程中，當(dāng)電磁波信號(hào)從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，就會(huì)在2 種介質(zhì)分界面發(fā)生反射，雷達(dá)天線接收端接收反饋的信號(hào)在示波器顯示就會(huì)有差異。根據(jù)示波器有反射信號(hào)的差異，分析接收被檢測介質(zhì)反射回來的電磁波時(shí)間、頻率和振幅等特征，就可以推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)性質(zhì)及幾何形態(tài)，可以判斷被檢測的介質(zhì)是否均勻密實(shí)、有無異常，從而達(dá)到對(duì)地層或地下目標(biāo)體的探測。

3 地質(zhì)雷達(dá)檢測存在的幾種誤差

以濟(jì)萊項(xiàng)目王家隧道為例，在施工初期使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌檢測時(shí)，因檢測環(huán)境、儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集處理以及檢測人員人水平等各種因素的影響[1]，造成當(dāng)時(shí)的檢測結(jié)果存在一定誤差。具體來說有以下幾種誤差。

1）環(huán)向誤差。即在隧道某個(gè)里程斷面環(huán)向位置，存在檢測判定缺陷的位置與現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證存在缺陷的位置不在同一點(diǎn)，沿隧道斷面環(huán)向存在點(diǎn)位誤差。

2）里程、長度誤差。即檢測判定缺陷位置的里程與現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證存在缺陷的里程不一致，檢測判定的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際在里程上存在誤差；或者檢測判定的拱架間距、鋼筋間距與現(xiàn)場驗(yàn)證的結(jié)果不符。

3）深度誤差。即檢測判定的隧道襯砌厚度、鋼筋保護(hù)層厚度、缺陷深度等與現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證的結(jié)果不一致。

4）缺陷誤判、漏判。即檢測判定缺陷的結(jié)果不準(zhǔn)確，例如，檢測某里程段隧道襯砌本來沒有缺陷，卻被判定為脫空、不密實(shí)；或者本來該里程段隧道襯砌存在鋼筋下面混凝土不密實(shí)，檢測報(bào)告上判定合格。

4 影響檢測準(zhǔn)確性的原因

4.1 環(huán)向誤差原因

檢測前對(duì)測線位置的布設(shè)沒有進(jìn)行規(guī)定，檢測過程中由于檢測臺(tái)車、檢測人員及其他因素影響，無法保證每次檢測的同一測線總是在同一位置，造成現(xiàn)場檢查驗(yàn)證的位置，與原來現(xiàn)場檢測位置不在同一條直線，或部分位置不重合[2]，從而造成檢測判定的襯砌厚度、襯砌空洞及脫空程度與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果存在一定誤差。

4.2 里程、長度誤差原因

1）現(xiàn)場里程點(diǎn)標(biāo)注錯(cuò)誤，如待檢測段隧道墻壁上的里程標(biāo)記點(diǎn)有漏標(biāo)、錯(cuò)標(biāo)或者里程數(shù)標(biāo)寫錯(cuò)誤，導(dǎo)致相鄰里程標(biāo)記點(diǎn)之間的里程差與實(shí)際間距不符。

2）檢測原始記錄錯(cuò)誤，檢測過程中的檢測文件號(hào)、檢測位置、檢測起止里程、檢測長度、標(biāo)記點(diǎn)間距等的原始數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤，導(dǎo)致記錄的檢測位置與實(shí)際現(xiàn)場檢測位置不相符合。

3）采集數(shù)據(jù)中里程標(biāo)記錯(cuò)誤，采集數(shù)據(jù)過程中進(jìn)行里程標(biāo)記時(shí)光標(biāo)不準(zhǔn)確，或者存在漏標(biāo)、多標(biāo)的情況，即雷達(dá)主機(jī)屏幕上標(biāo)記的里程光標(biāo)與雷達(dá)天線實(shí)際檢測的里程位置存在偏差。

4）雷達(dá)天線移動(dòng)過程的誤差，一是在時(shí)間模式（連續(xù)檢測）下，檢測過程中檢測車及人員走行速度忽快忽慢，造成雷達(dá)天線移動(dòng)速度不均勻；二是在距離模式下，檢測過程測距輪存在空轉(zhuǎn)情況。

5）數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)處理時(shí)沒有將檢測圖像上多余的里程標(biāo)及時(shí)刪除或?qū)θ鄙俚睦锍虡?biāo)記未補(bǔ)充；距離歸一化設(shè)置里程時(shí)，未注意檢查是否勾選逆樁號(hào)。

4.3 深度誤差原因

導(dǎo)致檢測深度誤差的原因主要是儀器參數(shù)設(shè)置不正確，一是檢測延時(shí)數(shù)值設(shè)置不準(zhǔn)確，而且數(shù)據(jù)處理去除時(shí)間零點(diǎn)時(shí)選擇的方法不當(dāng)；二是介電常數(shù)設(shè)置不對(duì)，如現(xiàn)場檢測時(shí)，沒有進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，直接使用儀器給定的混凝土介電常數(shù)，因?qū)嶋H檢測混凝土介電常數(shù)與設(shè)定值差別較大，造成襯砌厚度或脫空深度的判定存在一定誤差。

4.4 缺陷誤判、漏判原因

1）現(xiàn)場檢測環(huán)境中無線電波干擾影響。一是檢測過程中附近的通信設(shè)備、配電箱、電纜線、堆積的金屬物、照明設(shè)備等產(chǎn)生的干擾；二是雷達(dá)電纜線、鐵絲等金屬線盤繞、捆綁在雷達(dá)天線上，造成檢測過程雷達(dá)天線接收端受到信號(hào)干擾。尤其是在雷達(dá)檢測時(shí)，附近電焊機(jī)作業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)采集有著明顯的影響（通過主機(jī)屏幕觀察信號(hào)可見明顯干擾）。

2）待檢測的襯砌混凝土齡期太短，混凝土含水量大。由于水與干混凝土的介電常數(shù)相差很大，造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

3）雷達(dá)天線設(shè)置問題。更換連接不同頻率雷達(dá)天線時(shí)，未在雷達(dá)主機(jī)上設(shè)置選擇配備的天線類型；由于不同頻率的雷達(dá)天線的檢測深度和精度不同，檢測時(shí)沒有根據(jù)檢測深度及精度選擇合適的雷達(dá)天線。

4）檢測臺(tái)架行走不穩(wěn)定。目前，檢測臺(tái)車大多采用裝載機(jī)上焊接鋼管架結(jié)構(gòu)、可升降支架車輛、路燈檢修車等配合檢測。且由于隧道內(nèi)部路面不平整、高低起伏，以及洞內(nèi)各種設(shè)備和機(jī)械的阻礙，檢測臺(tái)架在行走過程中容易晃動(dòng)，不能直線勻速行走。

5）現(xiàn)場檢測采集數(shù)據(jù)的里程段范圍太小，需要判定缺陷的部位前后范圍搭接的距離太短，雷達(dá)圖譜前后無法比照，檢測數(shù)據(jù)不具參考性。

6）檢測部位襯砌混凝土鋼筋保護(hù)層很薄，且鋼筋間距較密，雷達(dá)天線就類似在一塊鐵板上檢測，電磁波信號(hào)在鋼筋和天線之間來回振蕩傳播，造成檢測的雷達(dá)圖譜上顯示多次波信號(hào)疑似缺陷導(dǎo)致誤判。

7）增益調(diào)整參數(shù)設(shè)置不對(duì)，如檢測中使用同一增益參數(shù)直接從素混凝土過渡到鋼筋混凝土進(jìn)行檢測，沒有根據(jù)檢測情況進(jìn)行增益調(diào)整。因?yàn)樗淼纼?nèi)不同里程段的混凝土受濕度及施工參數(shù)等各種因素影響，對(duì)雷達(dá)信號(hào)的吸收、反射程度不一樣，檢測過程中在雷達(dá)儀器顯示出的信號(hào)強(qiáng)弱不一樣。

8）數(shù)據(jù)處理過程中時(shí)間零點(diǎn)、距離歸一化、背景去除、FIR濾波器等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。

5 提高檢測精度的措施方法

1）檢測前做好里程標(biāo)記。里程尾數(shù)從0 或者5 開始，依次在隧道壁上每5 m 或10 m 用油漆標(biāo)記好里程樁。里程數(shù)標(biāo)記一定要清晰準(zhǔn)確，里程點(diǎn)決定著檢測缺陷位置是否準(zhǔn)確，如果一個(gè)里程樁號(hào)出現(xiàn)紕漏，就會(huì)造成判定結(jié)果的里程都是錯(cuò)誤的。

2）隧道內(nèi)的測線一定要按照規(guī)范要求的位置和數(shù)量來布設(shè)。如濟(jì)萊項(xiàng)目王家隧道（雙線隧道）檢測時(shí)[3]，根據(jù)隧道斷面從上到下、從左至右依次共布設(shè)了7 條測線。如圖1 所示，測線布設(shè)順序分別為：D1 測線——拱頂、G1 測線——左拱腰、G2 測線——右拱腰、B1 測線——左邊墻、B2 測線——右邊墻、Y1 測線——左仰拱、Y2 測線——右仰拱。7 條側(cè)線按照固定位置進(jìn)行布設(shè)，并進(jìn)行標(biāo)記。每次檢測都按照標(biāo)記的固定位置進(jìn)行，以便保證檢測與驗(yàn)證位置的一致性，尤其是初次檢測的缺陷問題整改后，進(jìn)行二次復(fù)檢時(shí)，檢測線盡量與原來檢測的線重合。

圖1 隧道斷面測線布設(shè)圖

3）保證良好的檢測環(huán)境。一是檢測過程中雷達(dá)天線避開配電箱、電焊機(jī)等電氣設(shè)備，盡量減小無線電波干擾影響。二是避免將檢測電纜線、鐵絲等金屬線盤繞、捆綁在雷達(dá)天線上，造成雷達(dá)天線接收端受到信號(hào)干擾。三是保證待檢測段混凝土齡期至少在15 d 以上，減小混凝土中含水量的影響，檢測隧道仰拱時(shí)避免地面有積水。

4）選擇合適的雷達(dá)天線，設(shè)置匹配的天線參數(shù)。一般來說，隧道襯砌檢測常用的是400 MHz、900 MHz 2 種頻率的天線。在更換不同頻率雷達(dá)天線時(shí)，要注意在雷達(dá)主機(jī)設(shè)置里重新選擇匹配的天線型號(hào)。

不同頻率的雷達(dá)天線，檢測的深度和精度不同。雷達(dá)天線的頻率越高，檢測精度越高，檢測深度越小，反之亦然。在滿足檢測深度的前提下，優(yōu)先選擇頻率高的雷達(dá)天線，以便提高精度。例如，對(duì)濟(jì)萊項(xiàng)目王家隧道進(jìn)口某段襯砌及初支拱架間距進(jìn)行檢測時(shí)，已知襯砌設(shè)計(jì)厚度40 cm，實(shí)際施工的襯砌厚度為41～56 cm，經(jīng)過分析判定（900 MHz 天線的檢測深度約為70 cm），最終使用900 MHz 天線進(jìn)行檢測，既滿足了檢測深度，又提高了檢測精度，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。圖2 為濟(jì)萊項(xiàng)目王家隧道進(jìn)口某里程段的檢測圖像。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，雷達(dá)檢測圖像中鋼筋、格柵拱架、二襯、初支等結(jié)構(gòu)物清晰可見。

圖2 隧道襯砌雷達(dá)檢測圖

5）標(biāo)定介電常數(shù)。雖然雷達(dá)儀器參數(shù)設(shè)置里給定了混凝土的介電常數(shù)值，但混凝土的配比、齡期、含水量的差異，導(dǎo)致介電常數(shù)不盡相同。因此在實(shí)際檢測中，可能存在選擇的介電常數(shù)與現(xiàn)場混凝土介電常數(shù)值不相符的情況。因此在檢測時(shí)，要對(duì)隧道混凝土的介電常數(shù)值標(biāo)定不少于1 處，當(dāng)隧道長度大于3 km、襯砌材料或含水量變化較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加標(biāo)定點(diǎn)數(shù)。

6）增益調(diào)整。隧道檢測否能發(fā)現(xiàn)缺陷，信號(hào)增益是整個(gè)檢測結(jié)果判定的靈魂，不同圍巖等級(jí)、不同襯砌支護(hù)，檢測過程中在雷達(dá)儀器顯示出的信號(hào)強(qiáng)弱不一樣，就需要不同的增益。增益調(diào)整時(shí)，先進(jìn)行自動(dòng)增益調(diào)整，如不滿足要求，再進(jìn)行手動(dòng)增益調(diào)整?？傮w原則就是把淺部信號(hào)減弱，深部信號(hào)增強(qiáng)。增益調(diào)整時(shí)，信號(hào)波峰、波谷左右的寬度盡量不要超過邊界線，否則會(huì)造成信號(hào)過強(qiáng)，影響結(jié)果判定，保證信號(hào)波峰、波谷左右的寬度為邊界線寬度的3/4 為宜。

7）檢測過程中，要不間斷觀察雷達(dá)儀器顯示屏，當(dāng)采集出現(xiàn)異常情況時(shí)，即時(shí)停止，調(diào)試正常后再繼續(xù)采集。根據(jù)隧道內(nèi)設(shè)置的里程標(biāo)記，每5 m 或10 m 在雷達(dá)主機(jī)上打一個(gè)里程光標(biāo)，檢測至整百米里程時(shí)打雙里程光標(biāo)。原始數(shù)據(jù)的記錄要正確、詳細(xì)，對(duì)施工中存在變更、坍塌、預(yù)埋件以及檢測異常情況的部位要記錄清楚。檢測過程中在屏幕上標(biāo)注里程光標(biāo)時(shí)要確保雷達(dá)天線與里程標(biāo)記斷面重合。避免提前、推遲或漏標(biāo)里程光標(biāo)，導(dǎo)致缺陷判識(shí)里程與實(shí)際產(chǎn)生較大偏差，無法準(zhǔn)確找到缺陷準(zhǔn)確位置[4]。

8）采集雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，單個(gè)保存的文件不宜過大，檢測段里程較長時(shí)，應(yīng)分段進(jìn)行檢測，每200～400 m 為一段保存一次檢測數(shù)據(jù)。避免因檢測距離過長，數(shù)據(jù)采集中少打或多打里程光標(biāo)時(shí)難以核查，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理距離歸一化容易出錯(cuò)。中間同一測線分段采集時(shí)需進(jìn)行搭接，且搭接檢測的長度不宜小于5 m。

9）盡量選擇距離測量模式，使用在雷達(dá)天線上安裝配套的測距輪來進(jìn)行檢測。如選擇時(shí)間模式進(jìn)行連續(xù)測量，檢測過程中的天線移動(dòng)需保持密貼、平穩(wěn)、均速，不可忽快忽慢，否則后期數(shù)據(jù)距離歸一化后，雷達(dá)圖譜被壓縮或拉長，圖像產(chǎn)生變形，里程位置、長度產(chǎn)生偏差。

10）數(shù)據(jù)處理時(shí)按照去除時(shí)間零點(diǎn)、距離歸一化、調(diào)整增益、數(shù)字濾波、反卷積等步驟，一步一步進(jìn)行操作，每一次保存數(shù)據(jù)文件命按照操作步驟命名。如檢測圖像效果清晰，時(shí)間零點(diǎn)、距離歸一化完成后可直接進(jìn)行缺陷判定。

11）數(shù)字濾波時(shí)根據(jù)有效信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜分布范圍的不同，可以采取低通、高通的方法來消除干擾信號(hào)波。通過設(shè)置一個(gè)合適的濾波范圍，將干擾波濾除，就得到了濾波以后的結(jié)果。一般數(shù)字濾波時(shí)，400 MHz 雷達(dá)天線檢測數(shù)據(jù)濾波低通、高通分別取值800 MHz、100 MHz；900 MHz 雷達(dá)天線檢測數(shù)據(jù)濾波低通、高通分別取值1 400 MHz、400 MHz。

12）判定缺陷時(shí)，除了依據(jù)雷達(dá)檢測圖像外，還要結(jié)合隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、現(xiàn)場檢測時(shí)的情況綜合考慮[5]。對(duì)雷達(dá)圖像上異常段落及數(shù)據(jù)失真段落及時(shí)重測，對(duì)有疑惑的結(jié)果判定不準(zhǔn)確的部位，具備條件的要及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場開孔驗(yàn)證。只有這樣才能快速提高檢測人員識(shí)別異常雷達(dá)圖像的能力和水平，減小雷達(dá)檢測的誤差、提高檢測判定結(jié)果的精度。

6 結(jié)語

在使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌檢測中，通過采用以上措施，基本上可以降低異常信號(hào)干擾，大幅度減小檢測誤差，提高雷達(dá)圖像的清晰度，為數(shù)據(jù)分析、缺陷判定提供準(zhǔn)確的依據(jù)，使檢測的結(jié)果更加精確。在濟(jì)萊項(xiàng)目王家隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測過程中，通過多次檢測、驗(yàn)證，不斷總結(jié)歸納影響檢測精度的因素、分析原因、采取措施，最終提高了地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道襯砌的精度，保障了隧道施工中質(zhì)量隱患、缺陷的準(zhǔn)確排查，提高了隧道質(zhì)量缺陷整治的效率，有效地控制了隧道襯砌的施工質(zhì)量。