地質雷達在高等級公路隧道無損檢測中的應用

李建文

1 概述

地質雷達是一種用于解決淺層工程地質問題的高新物探技術。地質雷達可用于高速公路隧道無損檢測、基巖探測、堤壩隱患探測、溶洞和裂隙探測、高速公路和機場跑道的地基及質量檢測、地下埋藏物(金屬和非金屬管線、墓穴、容器、樁基)探測等。

探地雷達已為高等級公路隧道無損檢測方面提供了便捷的條件:1)探地雷達是一種非破壞性的探測技術，可以安全地用于正在建設中或運營中的隧道的工程現場。工作場地條件寬松，適應性強(對于輕便類的儀器);2)具有隧道檢測中較滿意的探測深度和分辨率。現場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀;3)便攜微機控制數字采集、記錄、存儲和處理[1]。

2 方法原理及特征參數

1)方法原理。地質雷達是使用甚高頻至超高頻段的地下電磁波反射探測技術。發射天線向襯砌與圍巖中定向發射電磁波，電磁波在傳播的路徑上當遇到有電性(介電常數和電導率)差異的界面時即發生反射，從不同深度返回的各個反射波由接收天線和接收器所接收，另外還最先接收到從發射天線經兩天線所在介質的表面傳播到接收天線的直達波，并作為系統的時間起始零點。再根據反射信息特征判別反射目標的性質。

2)探測的分辨率問題。探測的分辨率問題是指對多個目的體的區分或小目的體的判識程度。簡言之，這個問題與脈沖頻帶的設計有關，即頻帶越寬、時域脈沖越窄，則在縱向上的分辨率就越高;反之，就越低。而水平方向的分辨能力主要決定于介質的吸收特性，介質的吸收越強，目的體中心部位與邊緣部位的反射能量相對差別也越大，水平方向的分辨能力相對也就較強;反之，則弱。

3)地質雷達的探測深度。眾所周知，大地相當于一個低通濾波器。因此，地質雷達的探測深度主要由中心頻率和介質的吸收特性所決定。資料表明，中心頻率25MHz～50MHz，探測深度一般在20m～50m;中心頻率100MHz～400MHz時，探測深度一般在3m～10m;中心頻率為1 000MHz時，探測深度小于1m。實際工作中應根據工作目的選用相應的中心頻率。

3 隧道無損檢測中的應用[3]

3.1 使用儀器的技術指標

使用的儀器其主要技術指標應符合下列規定:1)天線中心頻率序列的選擇，低頻型宜選12.5MHz～200MHz，高頻型宜選300MHz～1 000MHz以上。2)模/數(A/D)轉換位數不小于12bit。

3.2 測量參數選擇

測量參數包括中心頻率、時窗、采樣率、測點點距、發射與接收天線間距，其中天線中心頻率、時窗、采樣率、介電常數等參數的設定一定要準確。

1)天線中心頻率。天線中心頻率一般按式(1)選定:

其中，f為天線中心頻率，MHz;x為要求的空間分辨率。

2)時窗。時窗一般按式(2)初步選定:

其中，w為時窗寬度，ns;hmax為最大探測深度，m。

3)采樣率。采樣率必須滿足Nyquist采樣定律。一般采樣率為天線中心頻率的 6倍或更高。

3.3 外業工作

測線布置:地質雷達檢測采用隧道縱向連續采集法。即在檢測的隧道襯砌表面布置縱向測線檢測時，天線貼在襯砌表面，按事先設置檢測線進行連續掃描探測。

3.4 內業工作

1)數據處理。地質雷達的數據處理應采用頻率域濾波、時間域濾波等技術手段壓制干擾波，突出有效反射波。

2)雷達圖像的增強處理。可采用反射回波幅度的變換技術，多次覆蓋疊加技術，增強雷達圖像。

3)資料解釋。a.反射層的確定。應根據波組的同相性、相似性和波形特征確定反射層，并與地層建立對應關系。b.時間剖面解釋。對時間剖面反射層進行追蹤，研究地質結構與構造特征。

4 地質雷達典型異常圖形

4.1 空洞

空洞示意圖見圖 1。

4.2 分界面(襯砌界線)

分界面示意圖見圖 2。

4.3 不密實區

不密實區示意圖見圖 3。

4.4 鋼拱架及鋼筋

鋼拱架反射波的振幅與方向見圖 4。

5 結論及建議

地質雷達物探波形異常的推斷可靠性較高，能夠較真實的反映隧道病患，隱患定位也很準確，精確度約為 70%。與其他同類檢測方法相比，地質雷達檢測方法具有無損、快捷、準確度高、并可在較短時間內進行大面積連續檢測的高效質量檢測方法。通過對在建及運營高速公路隧道襯砌質量的地質雷達無損檢測，為隧道襯砌的質量現狀作出了科學的評價，為隧道病害整治工作提供了可靠的基礎資料，解決了長期以來一直困擾隧道管理部門無法全面了解運營隧道襯砌質量的難題，取得了較好的社會和經濟效果。

[1] 王惠濂.探地雷達概論——暨專輯序與跋[J].地球科學——中國地質大學學報，1993(3):20-22.

[2] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社，1994.

[3] JTG/TC 22-2009，公路工程物探規程[S].

[4] 李 強.光面爆破技術的成功實施及針對泥巖、砂巖平互層的處治措施[J].山西交通科技，2009(1):48-51.