探地雷達在橋梁預應力管道定位檢測中的應用

潘海結，黃福偉，2

（1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074；2.重慶交通科研設計院，重慶400067）

預應力是為了改善結構或構件在使用條件下的工作性能而在使用以前預先施加的永久性內應力，預應力混凝土橋梁結構中的預應力筋是結構中的主要受力單元，是預應力混凝土結構中至關重要的部分。如何對預應力管道進行定位檢測，進而確定預應力鋼筋的位置和壓漿實度是預應力檢測技術的一個重要問題，開展這方面的研究對保證橋梁的耐久性和安全性，以及對于此類橋梁養護工作的決策等至關重要[1]。

1 探地雷達工作原理

1.1 基本原理

探地雷達采用脈沖的高頻電磁波進行探測，高頻電磁波在介質中的傳播服從麥克斯韋方程[2-3]。即

式中：?為位置坐標偏導數，表示勢聲3個自由度方向上一階偏微分的矢量和；ρ為電荷密度，C·m-3；J為電流密度，A·m-2；E為電場強度，V·m-1；D為電位移，C·m-2；B為磁感應強度，T；H為磁場強度，A·m-1。

該方法是一種對地下目標體或界面進行定位的電磁技術。其基本工作原理是：利用一個天線發射電磁波，另一個天線接收界面反射波，根據反射波的雙程走時、振幅、極性特征、頻譜特征以及反射波的形態特征等參數資料，來推斷目標體的空間位置、結構、幾何形態等情況，從而達到對地下目標體探測的目的[4-6]，見圖1。

圖1 探地雷達工作示意圖Fig.1 GPR work scheme

1.2 介質的電磁學性質[7-8]

1）介質的介電常數。介電常數ε是一個無量綱的物理量，它表征一種介質在外加電場作用下極化效應大小的性質，也稱電容率。極化效應對外加電場有消減作用，強的極化效應阻礙電磁波的傳播，這就是介電常數大，電磁波速度小的本質。介電常數不同的兩種介質的界面，會引起電磁波的反射，反射波的強度與兩種介質的介電常數及磁導率的差異有關。即使介電常數差異不大，也能產生雷達可以檢測到的反射波。

2）介質的磁導率。磁導率μ表征介質在磁場作用下產生磁感應能力的強弱，是一個無量綱物理量。絕大多數工程介質的磁導率都接近1，對電磁波傳播特性無重要影響。但是對于鐵、硅鋼等鐵磁性物質，其磁導率很高，對電磁波的傳播的影響很嚴重，衰減很大。

3）介質的電導率。電導率σ是表征介質導電能力的參數，電導率高導電性好，在外電場作用下傳導電流大，能量損耗強。

低電導介質：電磁波衰減小，適宜雷達工作。中電導介質：電磁波衰減大，雷達勉強工作。高電導介質：電磁波衰減大，難于傳播。常用工程介質的電磁參數見表1。

表1 常用介質的電磁參數Tab.1 Eletromagnetic parameter of the common media

1.3 電磁波的反射與折射

當雷達波由低速介質進入高速介質，反射系數為正，反射波的極性與入射波相同。當雷達波由高速介質進入低速介質，反射系數為負，反射波的極性與入射波相反。雷達波由混凝土向進入預應力鋼筋傳播時，是由高速進入低速，反射系數為負，反射波極性與入射波相反。

2 模型試驗

2.1 試驗概況

預應力混凝土板，1.5 m×0.6 m×2 m。板內埋設一層預應力管道，直管；管道直徑Φ80（內徑Φ70），金屬管和塑料管各3根，共6根，管道編號為M1，M2，M3，M4，M5，M6；管道內穿 Φs15-9鋼絞線；分別做成真空、灌漿密實和灌漿不密實3種情況各2根；板頂面和底面各設置一層普通鋼筋，縱向鋼筋采用Φ16鋼筋，間距12 cm；箍筋采用Φ10鋼筋，間距16 cm；采用C60混凝土，模型見圖2。

儀器采用意大利IDS公司的RIS-K2型探地雷達，天線選擇由4個1.6 GHz的高頻天線組成的HIRESS天線陣，有效探測深度可以達到0.5 m，水平最小分辨率5 mm。

根據探測目的的不同，測線布置也會有所差異，但一般的原則是橫豎交叉布置，特別是探測鋼筋、預應力束時，有平行與垂直與鋼束的測線。為方便比較，本次試驗測線布置為平行于管道軸向和垂直于管道軸向，測線布置見圖3（C1～C7依次表示1～7號沿線）。

圖2 模型設計橫截面圖（單位：cm）Fig.2 Cross-sectional images of model design（unit：cm）

圖3 測線布置圖Fig.3 Layout of monitoring lines

2.2 探測數據處理分析與圖像解釋

1）1號測線（垂直于管道軸向）。當測線垂直于預應力管道時，管道在雷達檢測T-D圖上顯示的波形為向上凸起的弧形，弧頂為管道頂部位置根據雷達剖面圖，預應力管道均能分辨出。1號測線3號通道雷達檢測剖面圖見圖4。預應力管道M1～M6雷達探測結果見表2。

圖4 1號測線3號通道雷達檢測剖面圖Fig.4 Radar detection section of Tunnel 3，Monitoring Line 1

表2 1號測線3號通道探測結果Tab.2 Detection result of Tunnel 3，Monitoring Line 1

2）5號測線（平行于管道軸向）。當測線垂直于管道軸向時，在雷達檢測T-D圖上，顯示的是一條隨管道軸向位置變化的曲線，根據雷達檢測剖面圖，M4管道的位置能夠很明顯的分別出來，5號測線4號通道達檢測剖面圖見圖5。5號測線4號通道探測結果見圖6其他各測線探地雷達均能檢測出管道的位置，在此不一一列出。

圖5 5號測線4號通道雷達檢測剖面圖Fig.5 Radar detection section of Tunnel 4，Monitoring Line 5

圖6 5號測線4號通道雷達檢測結果Fig.5 Radar detection result of Tunnel 4，Monitoring Line 5

2.3 小結

經過對比分析可知，測線垂直于管道軸向（即天線偶極子方向平行于管道軸向）和測線平行于管道軸向均能探測出管道位置，垂直于預應力管道時，雷達檢測T-D圖上顯示的是向上凸起的弧形，弧頂為管道頂部位置根據雷達剖面圖，平行于管道軸向時，雷達檢測T-D圖上顯示的是一條隨管道位置變化的曲線，垂直于管道軸向時，信號較強，能對管道進行有效探測，有利于尋找預應力管道位置，測線平行于管道軸向，信號較弱，但是平行于管道軸向有利于追蹤管道的線性變化。

3 工程應用實例分析

3.1 工程概況

重慶市北濱路某小箱梁橋，為了能夠對該橋進行更加全面的養護管理，由于缺乏原始資料，要求對小箱梁預應力筋進行定位檢測，現取外側第一片小箱梁外腹板。

儀器依然使用意大利IDS公司的RIS-K2型探地雷達和由4個1.6 GHz的高頻天線組成的HIRESS天線陣，由于測線垂直于管道軸向，信號較強，因此測線布置為垂直于管道軸向，由跨中向支座，沿著腹板向上布置4條測線。

3.2 數據處理分析與圖像解釋

圖7～圖10為4條測線雷達檢測剖面圖，預應力管道均能分辨出。

圖7 1號測線雷達剖面圖Fig.7 Radar detection section of Monitoring Line 1

圖8 2號測線雷達剖面圖Fig.8 Radar detection section of Monitoring Line 2

圖9 3號測線雷達剖面圖Fig.9 Radar detection section of Monitoring Line 3

圖10 4號測線雷達剖面圖Fig.10 Radar detection section of Monitoring Line 4

建立坐標系，以腹板下緣為原點，以雷達掃描方向為x軸正方向，管道埋深為y軸正方向，雷達探測結果見表3。

其他箱梁各腹板探地雷達均能檢測出預應力管道的位置，在此不一一列出，為了驗證檢測結果的準確性，需對個別預應力管道進行破孔論證，根據檢測結果，選取了第4片梁的一側腹板進行破孔驗證，說明，檢測結果與破孔實測結果吻合較好，基本上反映了預應力管道的位置。

表3 雷達探測結果Tab.3 Radar detection result cm

3.2 小結

意大利RIS-K2地質雷達和由4個1.6 GHz的高頻天線組成的HIRESS天線陣系統，能夠對位于普通鋼筋下方的預應力管道，進行定位檢測，準確度較高，方便實用。

4 結論

通過探地雷達在公路橋梁預應力管道無損檢測中的應用可以得出以下結論：

1）高精度探地雷達作為一種快捷、高效、準確度搞的無損檢測工具，已用于工程質量檢測，特別是在公路橋梁預應力管道檢測中，可推廣應用。

2）探地雷達是利用電磁波在介質中的傳播進行探測的，然而橋梁預應力管道處于多層鋼筋和混凝土的包裹之中，雷達電磁波受到鋼筋間的相互干擾、邊界條件、混凝土內部缺陷等影響下的傳播規律，有待于我們進一步的研究。

[1]徐建達，楊超，季文洪，等.預應力管道壓漿質量無損檢測技術綜述[C]//第十四屆全國混凝土及預應力混凝土分會學術會議，2007：213-217.

[2]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994：5-7.

[3]曾昭發，劉四新，等.探地雷達方法原理與應用[M].北京：科學出版社，2006：1-20.

[4]賈學明，楊建國，賴思靜.探地雷達在道路工程檢測中的應用[J].公路交通技術，2005（5）：54-62.

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[6]徐進前.GPR在公路橋梁質量無損檢測中的應用[J].工程與建設，2009（4）：515-519.

[7]唐鈺昇.探地雷達法進行預應力管道定位檢測的模型試驗研究[M].重慶：重慶交通大學出版社，2008：18-19.

[8]黃福偉，唐鈺昇.2005年西部交通科技項目“大、中跨徑混凝土橋梁預應力檢測技術研究”專題2調研報告[R].重慶：重慶交通科研設計院，2006：14-17.