隧道工程車載探地雷達(dá)檢測應(yīng)用分析

唐偉

（廈門鐵研工程科技檢測有限公司）

近幾年，我國建成隧道長度不斷增加，隧道工程在交通體系中占據(jù)著越來越重要的地位。在隧道運(yùn)營后，因長時(shí)期地質(zhì)水文作用以及線路荷載振動干擾，隧道病害高發(fā)，嚴(yán)重威脅著隧道安全。車載探地雷達(dá)檢測是隧道工程主要無損病害診斷手段之一，利用車載探地雷達(dá)檢測技術(shù)，可以一次全斷面高速診斷隧道病害，為隧道病害的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位、解決提供依據(jù)。因此，探索隧道工程車載探地雷達(dá)檢測技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 隧道工程車載探地雷達(dá)檢測內(nèi)容

1.1襯砌狀態(tài)檢測

襯砌狀態(tài)檢測主要是檢測襯砌厚度及其內(nèi)部缺陷、襯砌背后空洞及其回填情況等，如襯砌局部不密實(shí)表現(xiàn)為雷達(dá)界面強(qiáng)反射信號同相軸呈繞射弧形，信號較分散，而襯砌密實(shí)則表現(xiàn)為雷達(dá)界面信號幅度較弱甚至無界面反射信號[1]。一般隧道工程襯砌狀態(tài)車載探地雷達(dá)檢測用天線多選擇空氣耦合式天線，拱頂接觸網(wǎng)兩側(cè)設(shè)置2 組天線，車體安裝6 組天線，接觸網(wǎng)遮擋時(shí)增設(shè)1組天線，天線距離邊墻1.5m，距離拱頂1.7m～2.0m。

1.2滲漏水病害檢測

隧道工程滲漏水病害復(fù)雜多變，可利用車載探地雷達(dá)檢測隧道不同區(qū)域滲水位置、滲水程度，為滲漏水病害處理提供依據(jù)。一般隧道工程滲漏水病害檢測需選擇中心頻率為300MHz 的天線，在距離襯砌表面1m 位置監(jiān)測空氣層、襯砌層、圍巖層滲水區(qū)域。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)各種信號為襯砌水病害處理提供依據(jù)。

2 隧道工程車載探地雷達(dá)檢測方法

2.1檢測工具選擇

車載探地雷達(dá)檢測工具主要為檢測天線、牽引車、車載探地雷達(dá)系統(tǒng)。一般檢測天線為短喇叭型空氣耦合天線，天線盒為屏蔽雷達(dá)信號與其他通信源的金屬殼，可同時(shí)滿足2側(cè)邊墻、拱頂、拱腰檢測要求[2]。

2.2檢測參數(shù)確定

車載探地雷達(dá)檢測主要用剖面法，即發(fā)射天線、接收天線以固定間距沿著測線同步移動測量。在測量前，技術(shù)人員應(yīng)選定車載探地雷達(dá)檢測系統(tǒng)參數(shù)，包括天線中心頻率、間距、采樣頻率、采樣時(shí)窗等[3]。其中天線中心頻率應(yīng)以滿足分辨率要求以及場地條件為依據(jù)，優(yōu)選低中心頻率天線，降低接觸網(wǎng)、銅芯電纜、信號燈、圍巖中非均勻體對檢測目標(biāo)的干擾。同時(shí)根據(jù)有耗介質(zhì)內(nèi)電磁波傳播能量衰減特點(diǎn)，可以車載探地雷達(dá)檢測天線可接收最遠(yuǎn)距離反射信號為依據(jù)，進(jìn)行天線中心頻率的選擇，見表1。

表1 頻率與可接收最遠(yuǎn)距離反射信號

在車載探地雷達(dá)檢測天線中心頻率確定后，技術(shù)人員可以依據(jù)車載探地雷達(dá)最大探測深度與電磁波傳播速度的關(guān)系，確定脈沖記錄道中首個(gè)點(diǎn)到最后一個(gè)點(diǎn)期間的時(shí)間長度，即采樣時(shí)窗，估算方程如下：

式中，W為車載探地雷達(dá)檢測采樣時(shí)窗，一般時(shí)窗需預(yù)留30%余量；hmax為車載探地雷達(dá)最大探測深度；v為介質(zhì)中電磁波傳播速度。

車載探地雷達(dá)垂向分辨率應(yīng)大于等于地層厚度的1/4 波長；車載探地雷達(dá)橫向分辨率需大于第一菲涅爾帶半徑，第一菲涅爾帶半徑與雷達(dá)子波波長、異常體埋藏深度有關(guān)，具體如下：

式中，rf為第一菲涅爾帶半徑，m；λ為雷達(dá)子波的波長，nm；h為異常體的埋藏深度，m。

2.3外業(yè)檢測

車載探地雷達(dá)外業(yè)檢測主要用多通道雷達(dá)技術(shù)，每一通道均可錯(cuò)開發(fā)射信號、接收信號，保持高效率運(yùn)行。一般多通道高速掃描速率與系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率具有較大關(guān)系，即車載探地雷達(dá)檢測掃描速率為雷達(dá)系統(tǒng)電磁波脈沖重復(fù)頻率（Hz）與每道采樣數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)的比值。比如，在車載探地雷達(dá)檢測電磁波脈沖重復(fù)頻率為500kHz、每道采樣數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)為512 個(gè)時(shí)，車載探地雷達(dá)檢測掃描速率大約為976scan/s。

2.4數(shù)據(jù)處理

在車載探地雷達(dá)檢測掃描數(shù)據(jù)獲得后，檢測操作人員應(yīng)將多通道雷達(dá)數(shù)據(jù)文件分割為單通道數(shù)據(jù)，促使處理操作次序、參數(shù)全部文件化，高速同步切換處理多通道數(shù)據(jù)。常見數(shù)據(jù)處理操作為去背景、去直流分量、信號自動增益、高速低通濾波等[4]。其中去背景操作主要是提取襯砌以及圍巖有價(jià)值信號，規(guī)避阻抗不匹配引發(fā)雷達(dá)水平回波信號噪聲，凸顯襯砌及其下部圍巖信號；去直流分量操作主要是借助單道信號減去實(shí)際通道信號均值，壓制直流漂移分量，規(guī)避雷達(dá)剖面數(shù)據(jù)正負(fù)半周不對稱問題；信號自動增益主要是針對隧道襯砌、隧道圍巖有損耗介質(zhì)內(nèi)電磁波傳播衰減特點(diǎn)，適當(dāng)補(bǔ)償目標(biāo)信號衰減量，獲得更加清晰的襯砌與圍巖深部目標(biāo)反射信息；高速低通濾波主要是利用帶通濾波器對雷達(dá)信號進(jìn)行濾波，截留高頻、低頻分量，避免雜波毛刺干擾信號。處理后，技術(shù)人員可以選擇通道進(jìn)行比較分析，以判斷隧道病害性質(zhì)以及面積。

3 隧道工程車載探地雷達(dá)檢測案例

3.1隧道工程概述

某隧道工程里程為HY15+480～HY15+660，呈東西走向。工程所處場地為Ⅰ級階地，呈侵蝕～堆積地貌。現(xiàn)擬選擇XJ-VMGPR 型車載探地雷達(dá)系統(tǒng)（成都西安交大研究院有限公司研發(fā)）檢測隧道襯砌厚度與滲透水病害。已知健康襯砌相對介電常數(shù)為7，滲水襯砌相對介電常數(shù)為30，健康襯砌電導(dǎo)率為0.001s/m，滲水襯砌電導(dǎo)率為0.01s/m。

3.2車載探地雷達(dá)檢測操作

在車載探地雷達(dá)檢測操作前，根據(jù)隧道車輛限界要求，安裝3 組空氣耦合天線，總布置6 條，分別在隧道左邊墻、隧道右邊墻、隧道左拱腰、隧道右拱腰、隧道左拱頂、隧道右拱頂。雷達(dá)天線極化方向與隧道橫斷面成90°，天線高度分別為0.6m、0.75m、0.9m、1.05m、1.10m，空氣耦合天線與邊墻相距0.93m～1.5m，天線與隧道拱頂相距1.7m～2.2m，天線與隧道襯砌表面距離為0.8m，接收天線與發(fā)射天線距離為0.05m。隨后設(shè)定車載探地雷達(dá)檢測天線中心頻率300MHz。

確定隧道內(nèi)部無車輛、工程機(jī)具、堆料阻擋以及通訊設(shè)備干擾時(shí)，選擇平整路面進(jìn)行檢測，避免檢測牽引車大幅度顛簸造成雷達(dá)數(shù)據(jù)層位精度下降。全程檢測范圍為距離隧道襯砌表面2.0m深，檢測時(shí)窗60ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512，網(wǎng)格步長0.02m，掃描速率為976scan/s，掃描間距16mm，測試速度為175km/h，檢測速度在80km/h以內(nèi)，選擇道間距為5cm。

3.3車載探地雷達(dá)檢測結(jié)果分析

外業(yè)檢測進(jìn)入尾聲后，經(jīng)信號處理系統(tǒng)生成雷達(dá)數(shù)據(jù)。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，可以判定隧道狀態(tài)。案述工程預(yù)處理參數(shù)見表2。

表2 隧道襯砌數(shù)據(jù)預(yù)處理參數(shù)

根據(jù)表2 預(yù)處理后，選擇車載探地雷達(dá)檢測系統(tǒng)自帶DCC 直流分量修正、BGR 背景去除、AMP 信號放大等方式，識別層界面及有價(jià)值信號，輸入波速，拾取隧道二次襯砌厚度界面并存入Excel表格，得出結(jié)果局部見表3。

表3 隧道二次襯砌厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表3 可知，檢測段襯砌厚度和設(shè)計(jì)結(jié)果相差較小，合格率達(dá)到98%以上。表明車載探地雷達(dá)檢測適用于隧道襯砌厚度檢測，可以清晰展示襯砌管片上下界面信號，顯著提高隧道襯砌厚度檢測精度與可信度。

提取健康襯砌、隧道滲水襯砌表面反射信號平均振幅、襯砌中雙程走時(shí)，得出結(jié)果見表4。

表4 隧道健康襯砌與滲水襯砌傳播參數(shù)

由表4 可知，編號1 為健康襯砌，編號2、3、4 均為滲水襯砌，滲水襯砌表面反射電磁波信號強(qiáng)于健康襯砌表面反射信號，且隧道襯砌滲水信號反射強(qiáng)烈程度與滲水病害嚴(yán)重程度成正相關(guān)。對比分析編號2、3、4 對應(yīng)數(shù)據(jù)可知，在滲水襯砌中，電磁波傳播能量衰減快，雙程走時(shí)長。表明車載探地雷達(dá)適用于隧道滲水襯砌檢測，可以在一定范圍內(nèi)探測隧道滲水病害位置，并根據(jù)信號反射速度、振幅判定滲水病害程度。

4 結(jié)語

綜上所述，車載探地雷達(dá)檢測是根據(jù)電磁波傳播理論，經(jīng)發(fā)射天線向被探測隧道發(fā)射高頻電磁脈沖，在電磁波傳播到隧道交界面時(shí)，因介質(zhì)電性差異，部分雷達(dá)波能量可在界面出現(xiàn)反射，反射能量可被接收天線接收，為隧道狀態(tài)診斷提供依據(jù)。檢測人員應(yīng)明確車載探地雷達(dá)檢測在隧道工程中的快速、全斷面優(yōu)勢，合理設(shè)計(jì)車載探地雷達(dá)檢測參數(shù)，均勻布置測線，并分析反射信號時(shí)延、頻譜特性、波形等參數(shù)，為目標(biāo)隧道介質(zhì)厚度、性質(zhì)、病害位置及危害程度信息的解譯提供依據(jù)。