中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
【摘 要】在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變、溝谷切割強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)修建高等級(jí)公路，由于公路隧道具有環(huán)保、耕保、徑捷、美觀等特點(diǎn)而被公路設(shè)計(jì)部門所采用，同時(shí)，也因其具有施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、投資相對高等因素被列入公路工程的控制性工程之一。本文筆者通過多年實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)得出采用雷達(dá)技術(shù)檢測公路隧道襯砌質(zhì)量，檢測記錄圖象清晰、直觀、信息豐富，結(jié)合數(shù)據(jù)后處理軟件、實(shí)際的施工工藝和地質(zhì)情況作綜合分析計(jì)算，檢測結(jié)果精度高、質(zhì)量可靠、工作效率高，檢測方法技術(shù)完全滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》的要求。
【關(guān)鍵詞】雷達(dá)技術(shù)；原理；方法；數(shù)據(jù)處理；案例分析
前言
作為隧道支撐或受力的襯砌，襯砌質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到隧道的使用壽命、交通安全和營運(yùn)效益，乃至社會(huì)影響。為此，交通部《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了隧道混凝土襯砌和鋼支撐支護(hù)等多項(xiàng)檢驗(yàn)評定的實(shí)測項(xiàng)目和允許偏差，采取選擇一定頻數(shù)的斷面，采用鑿孔檢測方法評定襯砌質(zhì)量，這種檢測手段雖然滿足了《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的要求，但是，由于檢測方法本身存在一定的破壞性、隨機(jī)性、偶然性，不能較客觀的全面反映隧道襯砌質(zhì)量（如襯砌的混凝土厚度、鋼支撐支護(hù)的排列間距、襯砌的密實(shí)度、襯砌與圍巖的澆結(jié)密實(shí)情況等），同時(shí)尚存在工作效率低下的現(xiàn)象。地質(zhì)雷達(dá)法不僅能夠檢測襯砌厚度不足和背后空洞等主要質(zhì)量缺陷，而且還可以檢測鋼架、鋼筋間距過大、數(shù)量不足、混凝土內(nèi)部脫空等質(zhì)量缺陷，是隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測的主要方法。因此，利用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)檢測隧道襯砌質(zhì)量，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。
1 雷達(dá)技術(shù)的探測原理
雷達(dá)技術(shù)是一種采用新興的地下探測與混凝土建筑物無損檢測新技術(shù)，是目前國內(nèi)外用于檢測混凝土內(nèi)部缺陷最先進(jìn)、最便捷的儀器之一。它是利用高頻電磁波在地下媒質(zhì)中的傳播和反射特性進(jìn)行地下目標(biāo)體或界面的探測和定位分辨。天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和增強(qiáng)信號(hào)的功能，可進(jìn)行連續(xù)透視掃描，現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示二維彩。它以無載波高速脈沖（電磁波）作為探測目標(biāo)體的信號(hào)源，其脈沖參數(shù)因目標(biāo)探測要求而定，用寬帶天線將高速脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電磁波進(jìn)行輻射，一部份經(jīng)發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線形成直達(dá)波，可用作地下目標(biāo)體深度的參考；一部份向地下媒體傳播，當(dāng)遇到地下目標(biāo)體或不同媒質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射，反射的電磁波經(jīng)地表到接收天線形成反射波，反射波相對地表反射的直達(dá)波出現(xiàn)的時(shí)間是電磁波從地表到目標(biāo)體再從目標(biāo)體到地表傳播的時(shí)間。當(dāng)電磁波在地下傳播的速度已知時(shí)，即可求出地下目標(biāo)體或地下界面的深度。并且反射波帶有地下目標(biāo)體或地下媒質(zhì)的性質(zhì)信息，通過對記錄數(shù)據(jù)的處理和對反射波曲線進(jìn)行分析，即可確定地下目標(biāo)體的性質(zhì)特征。
地質(zhì)雷達(dá)通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面掃描圖像，其工作原理是：雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向目標(biāo)體發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，當(dāng)電磁波信號(hào)在目標(biāo)介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。雷達(dá)探測系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器、發(fā)射天線、采樣接收與模數(shù)轉(zhuǎn)換部份和主控制器（數(shù)據(jù)采集和處理）四個(gè)部份組成。
2 探測方法
2.1 剖面布設(shè)原則
依據(jù)公路隧道襯砌的質(zhì)量要求，結(jié)合路基寬度，確定剖面的數(shù)量。剖面一般沿隧道走向布設(shè)3～5條（見下圖），剖面長度與隧道長度一致，便于連續(xù)觀測。
2.2 探測參數(shù)的選擇
2.2.1天線中心頻率。
（1）按分辨率選擇：若要求垂直分辨率為X米時(shí)，天線中心頻
率 ，在滿足分辨率要求的前提下，工作中盡量選擇頻
率低的天線，以滿足探測深度的要求。其中 一般取值為6。
（2）按探測深度選擇： 探測深度（D）同媒質(zhì)的視電阻率（ρ）
及天線的中心頻率（f）間的函數(shù)關(guān)系以 為依據(jù)進(jìn)行估算。
2.2.2時(shí)窗的選擇：按探測深度（D）同電磁波在媒質(zhì)中的傳播
速度（V）及時(shí)窗（tw）的關(guān)系式 來表示。時(shí)窗用時(shí)間毫微
秒（ns）數(shù)表示探測深度的范圍。
2.2.3天線移動(dòng)速度：
掃描率一般取8，天線寬度視所用的天線而定，目標(biāo)大小按探測深度而定。
2.2.4采樣間隔：按天線中心頻率（f）與采樣間隔（t）間
的關(guān)系式 計(jì)算。
2.2.5發(fā)射脈沖頻率的選擇：發(fā)射脈沖頻率、每掃描樣品數(shù)和掃描率三者的關(guān)系為：
2.2.6增益選擇原則：在不知探測目標(biāo)埋深時(shí)，增益選擇成指數(shù)增益，以抵消電磁波隨深度作指數(shù)衰減的影響；若大致知曉目標(biāo)體深度時(shí)，在該深度處的增益應(yīng)選擇大一些。
2.3探測方法
首先根據(jù)剖面布設(shè)原則布設(shè)剖面，并在剖面上每5～10米作好里程標(biāo)記，便于觀測記錄和確認(rèn)異常位置，以提高探測解釋精度。同時(shí)作好選擇合適的天線頻率、觀測時(shí)窗、采樣間隔、移動(dòng)速度等參數(shù)的設(shè)置，采用連續(xù)掃描探測法或指數(shù)增益檢測法沿剖面探測，獲取實(shí)時(shí)彩色顯示剖面圖像。探測過程中注意標(biāo)記位置的一致，便于異常位置與實(shí)地位置的對應(yīng)。
特征波是指強(qiáng)振幅，可長距離連續(xù)追蹤，且波形穩(wěn)定的反射波。它們一般是不同介質(zhì)分界面的有效波，特征明顯，易于識(shí)別、時(shí)間剖面的主要特征囚表現(xiàn)如下。雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)。破碎帶風(fēng)化裂縫、含水量變化造成正常地層發(fā)生突變，導(dǎo)致兩側(cè)地層或土壤層性質(zhì)發(fā)生變化，表現(xiàn)在地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面上為地下地層界面上的雷達(dá)反射波同相軸明顯錯(cuò)動(dòng)，且斷層或土壤層性質(zhì)變化越大，這一特征越明顯。雷達(dá)反射波同相軸的局部缺失。地下裂縫、地下性質(zhì)突變和風(fēng)化發(fā)育程度往往是不均衡的，由于其對雷達(dá)反射波的吸收和衰減作用，往往在裂縫、裂隙的發(fā)育部位造成可連續(xù)追蹤對比的雷達(dá)反射波同相軸局部缺失，而缺失的范圍與裂縫橫向發(fā)育范圍和土壤性質(zhì)突變有關(guān)。雷達(dá)反射波波形發(fā)生畸變。由于土壤中的各種成分含量及鹽堿性質(zhì)對雷達(dá)波具有電磁衰減、吸收作用，這種作用在改變雷達(dá)波波形的同時(shí)造成雷達(dá)波局部頻率下降，這也是探地雷達(dá)在時(shí)間剖面上識(shí)別不同性質(zhì)邊界的一個(gè)重要標(biāo)志。不同介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征不同，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征也明顯不同，這可作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的依據(jù)
3 數(shù)據(jù)處理及實(shí)例
3.1 數(shù)據(jù)處理
地雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋基礎(chǔ)是拾取反射層，通常通過鉆孔取芯與雷達(dá)圖像對比，建立各層的反射波組特征識(shí)別反射波組的標(biāo)志為同相性、相似性與波形特征等探地雷 地質(zhì)雷達(dá)隧道質(zhì)檢測流程達(dá)圖像剖面是數(shù)據(jù)解釋的基礎(chǔ)圖件，只要介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達(dá)圖像剖面中找到與之相對應(yīng)的反射波。根據(jù)相鄰道上反射波的對比，把不同道上同一個(gè)反射波相同相位連接起來的對比稱為同相軸。在無構(gòu)造區(qū)，同一波組一般有一組光滑平行的同相軸與之對應(yīng)，這一特征被稱為反射波組的同相性。采用專用的雷達(dá)后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其數(shù)據(jù)處理流程如下：
3.2 實(shí)例：澄陽公路隧道襯砌質(zhì)量檢測
澄陽公路隧道設(shè)計(jì)寬9m、長500m、凈高5.5m；設(shè)計(jì)襯砌厚度：一襯18～30cm、二襯60～80cm；鋼支撐支護(hù)間距40～80cm不等；圍巖為寒武系筇竹寺泥巖、泥巖夾頁巖，風(fēng)化程度不一，巖體破碎，巖體類別為Ⅲ～Ⅱ類。采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR—Ⅱ地質(zhì)雷達(dá)、500MHz收發(fā)合一的屏蔽天線、50ns的觀測時(shí)窗、1m/s的移動(dòng)速度，在隧道拱頂和兩壁分別布設(shè)測線、沿測線作連續(xù)掃描法觀測，檢測記錄圖象清晰、直觀、信息豐富，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、圖象分析計(jì)算、分段統(tǒng)計(jì)：隧道的襯砌厚度、鋼支撐支護(hù)間距等滿足《設(shè)計(jì)》和《評定標(biāo)準(zhǔn)》要求；襯砌及襯砌背后未發(fā)現(xiàn)明顯的空間或不密實(shí)現(xiàn)象。其某段的檢測記錄圖象見下圖：
由圖可見，該段襯砌的混凝土均勻密實(shí)，電磁波反射很弱，反射波同相軸連續(xù)性較好，雷達(dá)圖像均一。在襯砌與圍巖之間，由于具有明顯的電磁性差異，其反射界面清晰可辨。同時(shí)襯砌中鋼支撐具有較高的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，在鋼支撐位置出現(xiàn)強(qiáng)烈的雷達(dá)反射特征，據(jù)此可確定鋼支撐位置并計(jì)算鋼支撐支護(hù)的間距。
