用于路橋檢測的地質雷達技術

鄭建峰

中鐵一局集團第一工程有限公司，陜西 渭南 714000

近年來，隨著我國公路和橋隧建設規模的不斷增加，相關的質量檢測任務日益加重。然而，公路與橋隧結構的破壞常常始于各種隱蔽的或不可見的隱患，針對上述隱患檢測的傳統方法又不能及時、準確地檢測及判斷隱患的具體情況。這就使得路橋結構的維護針對性差、盲目性大，而真正的問題卻得不到解決。20世紀80年代后期，地質雷達技術被應用到公路與橋隧結構的檢測領域，才為該類問題的解決打開了局面。

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）又稱探地雷達、透地雷達，是用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下或者巖體介質分布狀況的一種方法。地質雷達利用發射天線向地下或者巖體發射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射，根據接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征推斷介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。使用探地雷達對路橋結構進行檢測具有實時、簡便、高效、準確、連續、信息豐富等特點。目前，該項技術已被廣泛應用于公路與橋隧質量控制及病害檢測中。

1 工作原理

地質雷達的工作原理是利用寬頻帶發射天線過向介質發射無載波電磁脈沖，電磁脈沖會在介質傳播過程中遇到不同電性介質界面時產生反射。由接收天線接收到反射信號后，將其傳輸到主機內并將轉化為數字信息，再通過數據、圖像分析處理，就能計算出被探測介質的某些參數，從而區分不同介質層面，并確定不同層面物體的深度。

對于不同介質，雷達波的穿透深度是不盡相同的，這主要取決于波的頻率和地下介質的電學特性等因素的影響。一般地，頻率越高，穿透深度越小；導電率越高，穿透深度越小，反之亦然。在常見的工程材料中，混凝土的導電率高于瀝青，因此同樣頻率的雷達波在水泥中的穿透能力小于在瀝青中的穿透能力。在實際應用中，需要針對檢測對象材質的不同，調節探測電磁波的頻率。例如，在實際檢測工作中，探測瀝青路面常常使用頻率大于1200MHz的天線，而對于水泥混凝土面層一般使用900MHz～1000MHz的天線；探測路基可使用頻率為300MHz～900MHz的天線。

2 發展概況

在1910年，德國人Leimbach和Lowy首次闡明了地質雷達的基本概念。此后的很長一段時間里，地質雷達技術有了很大改進。但由于電磁波在地下介質中的傳播的復雜性和不均勻性，使得對地質雷達的研究它僅限于相對均勻、對電磁波吸收較弱的地質環境。1963年，Evans S應用地質雷達技術對極地冰層的厚度進行探測。1974年，Pocello L T應用該技術對月球表面結構等。上世紀70年代以后，隨著電子技術的及現代處理技術的迅速發展與應用，許多商業化的探地雷達系統先后問世，與此同時，探地雷達的應用范圍也在不斷擴大，極大促進了地質雷達技術在工程中的應用。我國針對地質雷達技術在工程領域的應用研究始于上世紀80年代。1983年，鐵道部引進了第一臺地質雷達。此后，各科研部門經過十幾年的不斷努力，在雷達硬件設備、目標信號提取、目標識別、目標成像等方面取得重大進展和突破，特別是成功地實現了對地下目標的三維層析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使地質雷達在信號處理和成像技術方面進入了世界領先行列。目前在我國，地質雷達技術已經在軍事、地質、水利、交通、城建等部門得到廣泛應用。

3 在公路檢測中的應用

地質雷達技術早期在公路檢測領域中的應用主要是探測路面結構層的厚度，或是進行路面結構層材料特性的反演。近幾年，人們開始致力于研究應用地質雷達探測路面下的病害和缺陷，主要解決以下問題：

1）公路施工期：檢測公路各結構層厚度和密度，及時監控施工質量，并做到在施工現場進行實時質量檢測；

2）公路使用期：定期快速、連續普測和路面與路基調查、路面與路基裂縫的調查。檢測層間脫空、空隙和破碎區域范圍，方便管理部門及時掌握道路變化趨勢，實施補救措施，并進行道路狀況動態管理，為公路養護提供可靠的依據。

4 在隧道工程中的應用

地質雷達在隧道中的應用主要針對有混凝土襯砌結構檢測、隧道病害檢測。主要解決以下問題：

1）襯砌厚度及襯砌鋼筋檢測：檢測隧道襯砌結構各層厚度是否達到設計要求，原理與公路層厚度檢測類似。又由于鋼筋屬于良性導體，當雷達波從介質入射到導體表面時，由于存在較大的電磁性差異，必然產生反射現象。從電磁波理論可以知道，金屬材料對雷達波具有很強的反射能力。所以可使用地質雷達技術對隧道襯砌結構中鋼筋的分布和密度進行檢測；

2）超前預報：隧道的特點是斷面大、距離長、地質條件復雜。不良的地層條件極易引起隧道塌方、涌水等事故的發生。然而隧道工程所處環境的復雜性和不可預見性給安全施工帶來了不小的難度。為了盡量避免出現施工事故，在有地質資料和理論分析作為參考依據的情況下，結合地質雷達的超前探查技術對隧道圍巖變形進行有效的監測，實時分析和掌控隧道的變形情況，并對隧道的襯砌狀態進行評價，可為施工提供指導性依據，從而達到安全施工的目的；

3）滲漏水：水對雷達波有強烈的反射，所以可以利用地質雷達探測襯砌背后水的聚集情況，為防水與排水提供一定的依據。

5 結論

地質雷達技術雖然是一項較為前沿的檢測技術，但是以其獨特的優越性，已經在公路與橋隧結構施工及后期檢測養護等領域得到廣泛的應用。例如，在工程建設前期，可利用地質雷達對地質概況進行勘查探測，確定地質結構、查找不良地段；在工程建設過程中，利用地質雷達可以準確地探測出路面結構層的厚度，進而使施工質量得到保證；在工程的服役階段，運用地質雷達進行常規例行檢測，以便于及時發現可能存在的各種隱患，為工程結構的養護和維修提供指導以及，這對于延長使用工程結構的使用壽命具有重要意義。相信地質雷達技術定會成為交通部門一種高效先進的無損檢測手段。