地質(zhì)雷達(dá)在公路工程檢測(cè)中的應(yīng)用及管理研究

王 征，解應(yīng)軍

（陜西交控工程技術(shù)有限公司，陜西 西安）

近年來(lái)，我國(guó)公路工程建設(shè)速度不斷加快，對(duì)建設(shè)質(zhì)量要求也越來(lái)越高，公路工程檢測(cè)技術(shù)也隨之得到快速提升。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)作為一種高效、快捷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析，并總結(jié)出用于常規(guī)檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理主要流程，為地質(zhì)雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是由主機(jī)、天線等部件組成，探測(cè)工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)部密實(shí)程度或地下埋藏物等問(wèn)題的設(shè)備?；驹硎怯砂l(fā)射天線發(fā)射一個(gè)電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播并被各類介質(zhì)反射，然后由接收天線接收，如圖1 所示。在遇到介質(zhì)分界面或是地下異常體時(shí)，由于介電常數(shù)的差異，反射強(qiáng)弱及波形上會(huì)出現(xiàn)明顯差異，許多道反射波組合起來(lái)，形成一個(gè)雷達(dá)剖面[2]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)基本工作原理

2 與常規(guī)鉆芯法比較

地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)對(duì)比常規(guī)鉆芯法檢測(cè)具有明顯的特色優(yōu)勢(shì)，具體對(duì)比如表1 所示。

表1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)與常規(guī)鉆芯法檢測(cè)比較

3 地質(zhì)雷達(dá)在公路工程中的運(yùn)用

3.1 隧道初期支護(hù)和二次襯砌缺陷檢測(cè)

公路隧道施工過(guò)程中，由于超挖處理不當(dāng)或者初支噴射混凝土施工不當(dāng)，初期支護(hù)背后會(huì)形成空洞或不密實(shí)缺陷；在初期支護(hù)與二次襯砌間有土工布和防水板層，如果初期支護(hù)表面平整度較差，防水板不能與其緊密貼合，則易造成脫空現(xiàn)象；如果二次襯砌施工中泵送混凝土施工不當(dāng)則容易形成空洞，特別是在每板板縫的拱頂部位。一般情況下，通過(guò)搭配900 MHz 屏蔽天線可實(shí)現(xiàn)對(duì)上述缺陷的有效探測(cè)。

3.2 隧道二次襯砌厚度檢測(cè)

二次襯砌厚度檢測(cè)是隧道質(zhì)量評(píng)定的重要項(xiàng)目，主要判斷二次襯砌厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求，規(guī)范規(guī)定90%的檢查點(diǎn)厚度≥設(shè)計(jì)厚度，且最小厚度≥0.5 倍的設(shè)計(jì)厚度。在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)二襯厚度時(shí)要特別注意對(duì)待檢襯砌介電常數(shù)的標(biāo)定以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)二次襯砌底部界面的準(zhǔn)確識(shí)別。一般情況下，通過(guò)搭配900 MHz 屏蔽天線對(duì)二次襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道掌子面前方發(fā)射電磁波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，可以提前預(yù)知前方地質(zhì)條件，探測(cè)諸如空洞、巖溶、裂隙、含水帶等對(duì)施工不利因素。目前常用的布線方式有兩橫兩豎或一橫三豎，布線原則為盡可能接近掌子面軸心部位，并加長(zhǎng)測(cè)線、多采數(shù)據(jù)。一般采用搭配100 MHz 的屏蔽天線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)前方15 m范圍內(nèi)的地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)。

3.4 公路路基密實(shí)性檢測(cè)

在前期施工過(guò)程中路基填埋不密實(shí)，或者在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中在連續(xù)的車輛荷載作用下，夾雜著自然條件因素，路基中會(huì)存在暗穴、空洞、不密實(shí)等缺陷。利用地質(zhì)雷達(dá)搭配400 MHz、270 MHz 等型號(hào)天線可對(duì)不同深度范圍的路基缺陷進(jìn)行探測(cè)。

3.5 公路路面厚度檢測(cè)

與傳統(tǒng)的鉆芯法或者挖坑檢查法相比，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)可以通過(guò)車載空氣耦合天線實(shí)現(xiàn)對(duì)路面厚度的長(zhǎng)距離連續(xù)快速測(cè)量。其檢測(cè)原理是道路面層與基層界面處出現(xiàn)介電常數(shù)的變化，電磁波傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)反射，可以通過(guò)在雷達(dá)圖像波形圖中識(shí)別單道波變化從而分辨出面層與基層的界面，從而得到路面厚度。一般情況下，通過(guò)搭配1 500 MHz 或1 000 MHz空藕天線可以對(duì)路面進(jìn)行有效檢測(cè)。

3.6 結(jié)構(gòu)物中構(gòu)件檢測(cè)

在有鋼拱架的隧道初期支護(hù)檢測(cè)中，鋼拱架的布置間距必須符合設(shè)計(jì)要求，是重要的檢測(cè)項(xiàng)目，通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)可以有效檢測(cè)出所檢段落的鋼拱架分布情況，從而防止鋼拱架施工不規(guī)范；隧道鋼筋混凝土二次襯砌、邊坡抗滑樁等結(jié)構(gòu)物的鋼筋網(wǎng)布設(shè)是影響其質(zhì)量的重要方面，通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)可以判定是否存在偷筋少筋等違規(guī)作業(yè)情況；此外通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)還可以在無(wú)損情況下檢測(cè)工程中管道、線纜等預(yù)埋物實(shí)際排布情況。一般情況下，通過(guò)搭配900 MHz 屏蔽天線即可實(shí)現(xiàn)對(duì)1 m 范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)物的探測(cè)。

4 地質(zhì)雷達(dá)基本使用

4.1 常用天線選型

針對(duì)所要檢測(cè)的目標(biāo)體，應(yīng)結(jié)合探測(cè)深度、目標(biāo)體性質(zhì)、檢測(cè)環(huán)境等因素搭配合適的天線型號(hào)，這樣才能實(shí)現(xiàn)更有效檢測(cè)。天線選擇應(yīng)注意主頻越高則探測(cè)深度越淺，垂向分辨率越高；主頻越低則探測(cè)深度越深，垂向分辨率越低。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的有效采集是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、儀器操作等方面都進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備主要包括提前進(jìn)行樁號(hào)準(zhǔn)確標(biāo)記、確定檢測(cè)測(cè)線位置、提前移除檢測(cè)段落障礙物等方面，其中標(biāo)記一般為在左右邊墻上每逢樁號(hào)整5 m 或者整10 m 處做一個(gè)。儀器操作方面主要注意標(biāo)定位置合理選取、波速及介電常數(shù)標(biāo)定值的準(zhǔn)確計(jì)算、檢測(cè)參數(shù)的合理選取等方面。常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要點(diǎn)如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要點(diǎn)

4.3 數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的有效處理對(duì)結(jié)果分析具有重要影響，因此需要十分重視處理參數(shù)的選擇及對(duì)有效處理流程的掌握。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)常規(guī)的處理流程包括標(biāo)記梳理、刪除廢道、校正零點(diǎn)、距離歸一化、濾波和背景消除、調(diào)節(jié)增益等主要方面，如圖3 所示。但是在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，要注意根據(jù)雷達(dá)圖譜的實(shí)際響應(yīng)對(duì)一些操作進(jìn)行多次分析修正，以達(dá)到更好的數(shù)據(jù)處理效果[3]。

圖3 數(shù)據(jù)處理主要流程

4.4 缺陷記錄

以隧道二次襯砌檢測(cè)為例，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果缺陷主要為空洞、脫空。缺陷記錄描述需要滿足以下三個(gè)方面：一是要滿足溯源性，即通過(guò)記錄可準(zhǔn)確確定缺陷位置；二是對(duì)缺陷類型描述要準(zhǔn)確，缺陷嚴(yán)重程度要盡可能量化；三是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)評(píng)定或缺陷修復(fù)起到數(shù)據(jù)支撐作用。針對(duì)上述第一點(diǎn)，在病害缺陷記錄時(shí)應(yīng)包含合同段、隧道名稱、左右線、缺陷段落、測(cè)線位置、測(cè)線高度等信息；針對(duì)上述第二點(diǎn)和第三點(diǎn)，記錄時(shí)應(yīng)包含缺陷類型、缺陷長(zhǎng)度、缺陷深度值等信息，具體缺陷深度值采用A/B/C 數(shù)據(jù)形式，其中A 為二次襯砌厚度設(shè)計(jì)值，B 為地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)襯砌臨空面至出現(xiàn)缺陷位置襯砌厚度值，C 為缺陷自身的深度值。通過(guò)對(duì)A、B、C 三個(gè)數(shù)值的分析可以對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)評(píng)定或缺陷修復(fù)起到數(shù)據(jù)支撐作用，具體數(shù)據(jù)分析如表2 所示。建議襯砌缺陷記錄描述形式示例如表3 所示。

表2 襯砌缺陷深度值數(shù)據(jù)分析

表3 襯砌缺陷記錄示例

4.5 典型構(gòu)件和缺陷圖像展示

4.5.1 典型構(gòu)件雷達(dá)圖像

公路隧道中常見(jiàn)的典型構(gòu)件包括鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、管線預(yù)留通道等，如圖4 所示。

圖4 典型構(gòu)件雷達(dá)圖像

4.5.2 典型缺陷雷達(dá)圖像

公路隧道中常見(jiàn)的典型缺陷包括空洞、脫空、襯砌厚度不足等，如圖5 所示。

圖5 典型缺陷雷達(dá)圖像

5 雷達(dá)校準(zhǔn)管理

地質(zhì)雷達(dá)溯源主要采用校準(zhǔn)和比對(duì)試驗(yàn)的形式進(jìn)行。目前地質(zhì)雷達(dá)校準(zhǔn)主要依據(jù)規(guī)范《公路斷面探傷及結(jié)構(gòu)層厚度探地雷達(dá)》（JT/T 940-2014），該規(guī)范要求對(duì)10 cm 厚度以上采用地面耦合天線時(shí)的深度測(cè)試誤差需小于等于10%，對(duì)10 cm 厚度以下采用地面耦合天線時(shí)的深度測(cè)試誤差需小于等于10 mm。由于當(dāng)前可以校準(zhǔn)地質(zhì)雷達(dá)的計(jì)量單位較少，且校準(zhǔn)費(fèi)用較高，因此采用比對(duì)試驗(yàn)的方式也是一種較好的選擇。

本文建議一種比對(duì)試驗(yàn)方式以供參考討論，主要通過(guò)采用已完成檢定的5 m 鋼卷尺和地質(zhì)雷達(dá)分別對(duì)模擬塊固定位置厚度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)。首先依據(jù)規(guī)范《公路斷面探傷及結(jié)構(gòu)層厚度探地雷達(dá)》（JT/T 940-2014），對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的合格性進(jìn)行判定，在合格的基礎(chǔ)上，依據(jù)《化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部質(zhì)量控制 比對(duì)試驗(yàn)》（RT/T 208-2016），對(duì)進(jìn)行比對(duì)的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果先采用F 檢驗(yàn)，在兩次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)精密度無(wú)顯著差異的情況下按t 檢驗(yàn)法對(duì)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。若t≤tα，n1+n2-2，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間無(wú)顯著性差異，表明比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果滿意；若t＞tα，n1+n2-2，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間有顯著性差異，表明比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不滿意。

結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)因其安全無(wú)損、高速快捷、連續(xù)采集的特點(diǎn)，在公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是目前仍然存在諸多局限因素，如檢測(cè)結(jié)果定性多于定量、鋼筋混凝土襯砌后方鋼拱架難以識(shí)別、初期支護(hù)厚度難以判定、數(shù)據(jù)的多維分析利用還需提高、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)足且理論水平高的雷達(dá)檢測(cè)人員較少等。因此還需要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，以更大化的促進(jìn)公路工程質(zhì)量檢測(cè)的發(fā)展。