地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用分析

吳金鋒，李 科

（貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢(xún)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550014）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的隧道工程也隨著城市間公路以及鐵路的不斷發(fā)展和擴(kuò)發(fā)中逐漸的增多，這也導(dǎo)致了隧道施工質(zhì)量以及隧道安全問(wèn)題出現(xiàn)隱患的可能性越來(lái)越多，隧道襯砌是隧道工程的主要受壓迫結(jié)構(gòu)，因此，隧道襯砌的施工質(zhì)量是保障公路或鐵路能夠安全運(yùn)行的主要因素。研究表明，通過(guò)使用探地雷達(dá)，可以高效準(zhǔn)確的檢測(cè)出隧道襯砌在施工過(guò)程中的出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，因此，本文主要針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行主要分析。

1 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的隧道襯砌檢測(cè)方式較為落后，會(huì)對(duì)隧道襯砌的本身造成損害，并且傳統(tǒng)的隧道襯砌檢測(cè)方式效率較低，已經(jīng)開(kāi)始逐漸被隧道襯砌檢測(cè)所淘汰，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)被越來(lái)越多的隧道工程襯砌檢測(cè)所采用，地質(zhì)雷達(dá)就一定的抗干擾能力并且操作方便，在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中分辨率高，滿(mǎn)足隧道襯砌連續(xù)測(cè)量以及無(wú)損檢測(cè)的要求。

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是一種新興的地下探測(cè)技術(shù)，是探測(cè)地下物質(zhì)以及混凝土建筑物無(wú)損檢測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)使用超強(qiáng)的高頻率電磁波探測(cè)地下介質(zhì)的分布，在隧道工程項(xiàng)目的隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中，利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)原理對(duì)隧道襯砌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)雷達(dá)天線(xiàn)對(duì)隧道襯砌發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，對(duì)隧道襯砌進(jìn)行全斷面掃描，得到隧道襯砌斷面掃描圖像，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)的電磁波信號(hào)在隧道襯砌內(nèi)部傳播，如果出現(xiàn)介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)則可以通過(guò)天線(xiàn)向隧道襯砌檢測(cè)目標(biāo)發(fā)生反射以及透射和折射。因此，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是我國(guó)目前隧道襯砌檢測(cè)內(nèi)部缺陷最先進(jìn)也是最便捷的儀器之一[1]。

2 探地雷達(dá)的工作原理以及工作方式

2.1 地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌工作原理

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中的工作原理是通過(guò)，地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)利用高頻電磁波訊號(hào)，對(duì)隧道襯砌檢測(cè)巖石層的探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一個(gè)反射的訊號(hào)，結(jié)合隧道襯砌媒質(zhì)中的傳播的直達(dá)訊號(hào)通過(guò)接收天線(xiàn)輸入接收機(jī)中，對(duì)隧道襯砌建設(shè)進(jìn)行探測(cè)和定位分辨。由于地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)是通過(guò)高頻電磁波，在對(duì)隧道襯砌檢測(cè)的過(guò)程中地質(zhì)雷達(dá)的天線(xiàn)屏蔽干擾較小，可以滿(mǎn)足隧道襯砌檢測(cè)探測(cè)范圍廣以及分辨率高的要求，并且具備能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的處理，增強(qiáng)地質(zhì)雷達(dá)的信號(hào)功能，對(duì)隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)透視掃描。在透視掃描的施工現(xiàn)場(chǎng)顯示二維彩。因此，地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)能力優(yōu)于傳統(tǒng)隧道襯砌檢測(cè)設(shè)備。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)工作方式

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波作為隧道襯砌檢測(cè)目標(biāo)的信號(hào)源，其中地質(zhì)雷達(dá)的脈沖數(shù)據(jù)可以根據(jù)隧道襯砌檢測(cè)的要求靈活制定，通過(guò)寬帶天線(xiàn)對(duì)高速脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電磁波對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行輻射，在對(duì)于隧道地下目標(biāo)的探測(cè)過(guò)程中，地質(zhì)雷達(dá)可以將一部分經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)直接到達(dá)接收天線(xiàn)，而形成的直達(dá)波產(chǎn)生的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行探測(cè)深度的參考。另一部分則直接向隧道襯砌施工探測(cè)區(qū)域的地下媒體傳播。當(dāng)出現(xiàn)地下探測(cè)目標(biāo)出現(xiàn)不同媒質(zhì)界面時(shí)發(fā)生反射的電磁波時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)可以將反射經(jīng)地面再到接收天線(xiàn)之后形成的反射波。地質(zhì)雷達(dá)出現(xiàn)的反射波與相對(duì)隧道襯砌地表反射的直達(dá)波出現(xiàn)的時(shí)間與地質(zhì)雷達(dá)電磁波從地表到探測(cè)目標(biāo)，再?gòu)牡刭|(zhì)雷達(dá)探測(cè)的隧道襯砌到隧道襯砌檢測(cè)地表傳播的時(shí)間。當(dāng)知道地質(zhì)雷達(dá)的電磁波在隧道襯砌檢測(cè)地下傳播的速度時(shí)，就可以明確的得出隧道襯砌檢測(cè)目標(biāo)的檢測(cè)目標(biāo)以及檢測(cè)的深度。地質(zhì)雷達(dá)的反射波會(huì)帶著隧道襯砌檢測(cè)目標(biāo)的性質(zhì)信息數(shù)據(jù)，對(duì)記錄的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合處理并且對(duì)反射波形成的曲線(xiàn)圖進(jìn)行詳細(xì)的分析，確定隧道襯砌檢測(cè)的性質(zhì)以及隧道襯砌的特征[2]。

3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)剖面布設(shè)原則

目前，探地雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中常用的方式主要是剖面法，這種方式在我國(guó)公路隧道襯砌探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，剖面布局設(shè)計(jì)是根據(jù)隧道襯砌的質(zhì)量要求，結(jié)合實(shí)際隧道襯砌路基寬度，通過(guò)探地雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)和接受天線(xiàn)以固定的間距沿著探測(cè)的路線(xiàn)進(jìn)行同步移動(dòng)，最終確定隧道襯砌剖面的數(shù)量。剖面普遍沿隧道襯砌檢測(cè)的走向進(jìn)行布設(shè)，且剖面的長(zhǎng)度需要與隧道襯砌的長(zhǎng)度相同，以便于對(duì)隧道襯砌進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。

3.2 隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中探測(cè)參數(shù)的選擇

3.2.1 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)的分辨率選擇

按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)的分辨率選擇，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)中心頻率的選擇，需要按照地質(zhì)雷達(dá)的分辨率進(jìn)行篩選，如果隧道襯砌檢測(cè)要求地質(zhì)雷達(dá)垂直分辨率為Xm 時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)的天線(xiàn)中心頻率，需要在滿(mǎn)足地質(zhì)雷達(dá)垂直分辨率要求的前提下篩選出頻率低的天線(xiàn)，達(dá)到地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌檢測(cè)深度的標(biāo)準(zhǔn)，普遍取值為6。

3.2.2 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)的測(cè)深度進(jìn)行選擇

如果按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)的測(cè)深度進(jìn)行選擇，地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度和相同隧道襯砌媒質(zhì)的視電阻率，及地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)的中心頻率之間產(chǎn)生的函數(shù)，作為地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)的依據(jù)，對(duì)隧道襯砌檢測(cè)中的參數(shù)進(jìn)行估算。

3.2.3 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)窗的選擇

按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)窗的選擇，需要按探地雷達(dá)所探測(cè)的深度，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)電磁波在隧道襯砌媒質(zhì)中的傳播速度以及時(shí)窗，三者之間的關(guān)系式來(lái)代表，地質(zhì)雷達(dá)時(shí)窗用時(shí)間毫微秒的數(shù)據(jù)表示出探地雷達(dá)隧道襯砌檢測(cè)深度的范圍。

3.2.4 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)天線(xiàn)移動(dòng)速度選擇

按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)天線(xiàn)移動(dòng)速度選擇地質(zhì)雷達(dá)的掃描率通常為8，地質(zhì)雷達(dá)的天線(xiàn)寬度根據(jù)所用的天線(xiàn)而定，按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)目標(biāo)的大小，按地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度決定探測(cè)的方法。

3.2.5 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)采樣的間隔選擇

按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)采樣的間隔選擇，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)中心頻率與隧道襯砌檢測(cè)采樣間隔之間的關(guān)系式進(jìn)行探測(cè)方法的計(jì)算。采樣頻率需要達(dá)到地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)中心頻率的3 倍，才可以保障地質(zhì)雷達(dá)記錄的波形完整的程度。因此，通常都會(huì)在采樣率達(dá)到地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)中心頻率的6 倍，使用地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)為隧道襯砌檢測(cè)。

3.2.6 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)發(fā)射脈沖頻率選擇

按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)發(fā)射脈沖的頻率進(jìn)行選擇，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射脈沖的頻率和對(duì)隧道襯砌檢測(cè)采樣的樣品以及地質(zhì)雷達(dá)的掃描率進(jìn)行選擇。

3.2.7 按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)增益選擇的原則選擇

按照地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)增益選擇的原則，在未知隧道襯砌檢測(cè)目標(biāo)埋深時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)的增益選擇成指數(shù)增益，用以減掉地質(zhì)雷達(dá)電磁波隨隧道襯砌檢測(cè)深度作指數(shù)衰減的影響。如果知道隧道襯砌檢測(cè)的大概深度，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)參數(shù)在隧道襯砌檢測(cè)深度處的增益可以選擇大一些[3]。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的探測(cè)方式

3.3.1 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中使用剖面布設(shè)原則

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的探測(cè)方式可以根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)剖面布設(shè)原則的布設(shè)剖面地質(zhì)探測(cè)，在地質(zhì)雷達(dá)布設(shè)的剖面上每5～10m 進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)里程的標(biāo)記，這樣的方式方便于觀測(cè)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的記錄以及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)確認(rèn)的異常位置，有效的提高地質(zhì)雷達(dá)測(cè)數(shù)據(jù)的解釋以及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。與此同時(shí)還可以有效的選擇合適的地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)頻率以及地質(zhì)雷達(dá)的觀測(cè)時(shí)窗，并且對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的采樣間隔以及移動(dòng)速度等參數(shù)的設(shè)置也有著重要的作用。

3.3.2 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中使用連續(xù)掃描探測(cè)法

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中沿隧道襯砌使用剖面進(jìn)行探測(cè)，利用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)時(shí)彩色顯示的剖面圖像進(jìn)行探測(cè)，在探測(cè)過(guò)程中對(duì)隧道襯砌的標(biāo)記位置要統(tǒng)一，這樣可以有效的找到隧道襯砌探測(cè)的異常位置與實(shí)際標(biāo)注位置相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的特征波。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)的強(qiáng)振幅可以滿(mǎn)足對(duì)隧道襯砌長(zhǎng)距離探測(cè)的連續(xù)追蹤，并且地質(zhì)雷達(dá)會(huì)產(chǎn)生波形穩(wěn)定的反射波。

3.3.3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中使用指數(shù)增益檢測(cè)法

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中使用指數(shù)增益檢測(cè)法也需要沿隧道襯砌剖面進(jìn)行探測(cè)，通常根據(jù)隧道襯砌的不同介質(zhì)地質(zhì)分界面雷達(dá)產(chǎn)生的有效波，這種有效波的特征非常的明顯，而且非常易于識(shí)別。地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面的主要特征是地質(zhì)雷達(dá)在進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中反射波同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，或是隧道襯砌破碎并且?guī)в酗L(fēng)化的裂縫以及隧道襯砌內(nèi)的含水量出現(xiàn)變化，導(dǎo)致正常隧道襯砌中的地層發(fā)生突然變化，隧道襯砌內(nèi)部?jī)蓚?cè)的地表層以及隧道襯砌內(nèi)的土壤層性質(zhì)發(fā)生了變化，使得地質(zhì)雷達(dá)的時(shí)間剖面上，為隧道襯砌地下地層上的地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的反射波同相軸出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象。并且隧道襯砌內(nèi)部的斷層或隧道襯砌內(nèi)的土壤層性質(zhì)變化越大，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的反射波同相軸出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象越明顯。

3.3.4 地質(zhì)雷達(dá)發(fā)生的反射波同相軸的局部缺失

隧道襯砌內(nèi)的地下裂縫以及隧道襯砌內(nèi)部的地下性質(zhì)發(fā)生突變和隧道襯砌內(nèi)風(fēng)化發(fā)育的程度通常是不均衡的，尤其是對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)反射波的吸收作用以及地質(zhì)雷達(dá)的衰減作用，在隧道襯砌內(nèi)裂縫以及裂隙的發(fā)展區(qū)域，造成地質(zhì)雷達(dá)滿(mǎn)足可連續(xù)追蹤隧道襯砌內(nèi)對(duì)比的雷達(dá)反射波同相軸的局部缺失。而且雷達(dá)反射波同相軸局部缺失的范圍，與隧道襯砌內(nèi)部的裂縫橫向發(fā)展的范圍，以及隧道襯砌內(nèi)土壤性質(zhì)的突變有著一定的關(guān)系，致使地質(zhì)雷達(dá)發(fā)生反射波的波形出現(xiàn)畸形的變化。隧道襯砌內(nèi)部的土壤中多有成分的含量，以及隧道襯砌內(nèi)部土壤的鹽堿性質(zhì)，對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的波具有電磁衰減作用。同時(shí)還對(duì)地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的波具有吸收的作用，這種反射波同相軸的局部缺失作用，可以改變地質(zhì)雷達(dá)波的波形，同時(shí)會(huì)造成地質(zhì)雷達(dá)波的局部頻率降低。因此，在這也是地質(zhì)雷達(dá)在時(shí)間剖面上可以識(shí)別不同性質(zhì)隧道襯砌邊界的一個(gè)主要標(biāo)志。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)隧道襯砌內(nèi)部不同介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，反射波的頻率也會(huì)出現(xiàn)高低不同的明顯特征?？梢宰鳛榈刭|(zhì)雷達(dá)區(qū)分隧道襯砌內(nèi)部不同物質(zhì)界面的參考依據(jù)[4]。

3.4 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的數(shù)據(jù)處理方法

（1）通過(guò)隧道襯砌檢測(cè)中的數(shù)據(jù)處理可以有效壓制地質(zhì)雷達(dá)受到干擾。地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的數(shù)據(jù)處理的目的是壓制地質(zhì)雷達(dá)隨機(jī)會(huì)干擾，以及壓制隧道襯砌檢測(cè)中產(chǎn)生的規(guī)律干擾，拾取反射層的電磁回波，以及地質(zhì)雷達(dá)在進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)中產(chǎn)生的各種有用的參考數(shù)據(jù)，最大限度的提高地質(zhì)雷達(dá)的剖面信噪比。并且通過(guò)鉆孔取芯與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)顯示出的圖像進(jìn)行對(duì)比，建立起隧道襯砌內(nèi)部各層的雷達(dá)反射波組，通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射波組特征的識(shí)別，將地質(zhì)雷達(dá)反射波組的標(biāo)志設(shè)定為同相性，同時(shí)通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射波組特征的識(shí)別，獲得地質(zhì)雷達(dá)反射波的相似性與地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生波形的特征等。

（2）通過(guò)隧道襯砌檢測(cè)中的數(shù)據(jù)處理可以找出地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的同相軸。只要隧道襯砌內(nèi)部的介質(zhì)中出現(xiàn)電性的差異，就可以在地質(zhì)雷達(dá)顯示的圖像剖面中，找到與隧道襯砌內(nèi)部的介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的反射波。根據(jù)隧道襯砌內(nèi)部相鄰道上的地質(zhì)雷達(dá)反射波的對(duì)比，將隧道襯砌內(nèi)部不同道上，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)生的同一個(gè)反射波相同并且位置也相同的區(qū)域進(jìn)行連接，并且根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的反射波進(jìn)行對(duì)比，之后成為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的同相軸。

（3）通過(guò)隧道襯砌檢測(cè)中的數(shù)據(jù)處理可以得出地質(zhì)雷達(dá)反射波組的同相性。在隧道襯砌內(nèi)部的無(wú)構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的同一波組，通常有一組光滑平行的同相軸與隧道襯砌內(nèi)部的無(wú)構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的波組相對(duì)應(yīng)，這種明顯的特征可以稱(chēng)為地質(zhì)雷達(dá)反射波組的同相性[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中使用探地雷達(dá)技術(shù)起到的作用是顯著的，但是也要注意探地雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中的無(wú)損探測(cè)技術(shù)還有待提高，雖然我國(guó)目前隧道襯砌檢測(cè)的效果較之傳統(tǒng)隧道襯砌檢測(cè)效果較強(qiáng)，但是探地雷達(dá)的準(zhǔn)確率還有待提高。因此，探地雷達(dá)對(duì)隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中對(duì)探測(cè)圖像的處理和探測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際隧道襯砌檢測(cè)環(huán)境以及地質(zhì)進(jìn)行有效的分析，結(jié)合實(shí)際探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，完善地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用。