探地雷達方法技術在鋼筋混凝土檢測中的應用以混凝土中鋼筋檢測為例

張保安

(中鐵二局三公司)

探地雷達方法技術在鋼筋混凝土檢測中的應用以混凝土中鋼筋檢測為例

張保安

(中鐵二局三公司)

本文的研究內容為混凝土內鋼筋的檢測，針對不同的鋼筋直徑、間距、埋深等不同情況進行數值模擬，并對模擬后的結果進行去直達波、FK偏移處理，研究獲得成果如下：（1）鋼筋直徑越大，其反射波振幅越大，鋼筋埋深越大，其反射波振幅越小；雷達天線中心頻率與鋼筋分辨率的關系對比關系，天線收發距增加有利于雙層鋼筋探測；（2）鋼筋網判識的影響主要為鋼筋網上下之間干擾波的頻率相對大一些，振幅上差別不大；在實際檢測當中，可以通過增加頻率來探測雙層鋼筋。在室內處理時，去除直達波，選取合適的速度對鋼筋進行偏移歸位，將更有利于雙層鋼筋的判識。

探地雷達；數值模擬；鋼筋檢測

1 前言

國外較早開展探地雷達檢測混凝土結構的應用研究。其中在隧道和道路檢測上的應用最為廣泛和成熟。國內外的工程實踐及試驗研究表明對于混凝土內鋼筋間距較小、多層鋼筋網或鋼筋網下面存在缺陷情況的研究較少。在鋼筋間距小、多層鋼筋網的情況下，鋼筋網對雷達信號屏蔽作用、鋼筋之間相互干擾以及多次波的存在使得探地雷達圖像變得非常復雜，不能有效的分辨出多層鋼筋以及缺陷體的反射信號。因此本文的前期工作是系統研究探地雷達的探測深度、測量方式與頻率的關系，選取合適的數值模擬方法。根據不同的鋼筋網格間距和空洞的大小，選取不同的頻率和測量方式，以對鋼筋混凝土進行精確檢測。

2 地雷達的基本原理

2.1 剖面法

剖面法是發射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。當發射天線與接收天線間距為零，亦即發射天線和接收天線合二為一時稱為單天線形式，反之成為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示（圖2-1）。該圖像為雙層介質模型的剖面圖，橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為發射波雙程走時，表示雷達脈沖從發射天線出發經地下界面反射回到接收天線所需要的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各反射界面的形態(中國水利電力物探科技信息網，2011)。

圖 0-1 剖面法示意圖（左）和雷達剖面圖（右）

2.2 寬角法

一個天線固定在地面某一點上不動，另一個天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方法稱為寬角法。以地面一固定點（測點）為中心，發射天線與接收天線相互平行置于測點兩側，并與測量點保持對稱，以固定的步長沿相反方向同步移動發射與接收天線進行測量，測量過程中發射天線與接收天線之間的距離逐步加大，這種方法稱為共中心點法(CMP)(圖 2-2)。當地下界面平直時，這兩種方法結果一致。這兩種測量方式的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度(雷宛，肖宏躍，鄧一謙，2006)。

圖 0-2 共測深點探測示意圖（(a)為共接收點示意圖；(b)為共發射點示意圖）(曾昭發，等，2006)

3 鋼筋混凝土的探地雷達影響因素

3.1 鋼筋埋深對探測結果的影響

建立模型：模型規格為1.1m*0.5m，上層為空氣，厚度為0.1m，下層為混凝土，厚度為0.4m；混凝土參數為：相對介電常數ε=6，電導率為0.005S/m，相對磁導率μr=1；鋼筋為良導體，圓心坐標為分別為：（0.15.,0.2）、（0.35、0.25）、（0.55、0.3）、（0.75,0.35）、（0.95,0.4），直徑為0.01m。

測量方式選取剖面法，收發距為0.25m，天線中心頻率為600MHz，測量位置為空氣和混凝土的分界面上。探地雷達圖像剖面見圖3-1，由圖中可以看出，由于鋼筋的強反射性，不同埋深的鋼筋均在剖面上形成一系列的開口向下的雙曲線，隨著深度的增加，雙曲線的曲率增加，即開口加大，但是能量的變化不是很明顯，這時提取模擬結果剖面中鋼筋所在的X坐標處，即X為0.35m，0.55m，0.75m，0.95m處的單道反射回波曲線，如圖3-2所示，在圖中就可以明顯的看出X坐標為0.35m、0.55m、0.75m、0.95m，對應的埋深為0.25m、0.3m、0.35m、0.4m的鋼筋反射回波波形，通過計算，雷達接收到反射回波波峰到達的時間依次為4.2ns、5.1ns、5.9ns、6.7ns，觀察曲線這幾個時間點的波峰能量，埋深大，能量小，其中橫坐標位于0.75m、0.95m處的鋼筋由于受到左右兩邊鋼筋的干擾，波形出現疊加。埋深增加反射波能量較小是由于電磁波在混凝土中傳播會消耗能量。在本模型的正演、偏移、分析計算中可以得到，在測量參數和物性參數相同的情況下，鋼筋的埋深變大，鋼筋的反射能量變小，形成的繞射雙曲線的曲率變大。

圖 3-1 不同鋼筋埋深的雷達剖面圖及各個深度反射回波單道曲線

3.2 鋼筋直徑對探測結果的影響

建立模型：模型規格為1.1m*0.5m，上層為空氣，厚度為0.1m，下層為混凝土，厚度為0.4m；混凝土參數為：相對介電常數ε=6，電導率為0.005S/m，相對磁導率μr=1；鋼筋為良導體，埋深為0.3m，橫坐標和直徑分別為：（0.15m,0.001m），（0.35m,0.002m），（0.55m,0.003m），（0.75m,0.004m），（0.95m,0.005m）。

測量方式選取剖面法，收發距為0.25m，天線中心頻率為600MHz，測量位置為空氣和混凝土的分界面上。探地雷達圖像剖面見圖3-2，從原始模擬結果中可以看出不同直徑的鋼筋均可形成繞射雙曲線，且能量強度、弧度大小和形態都十分的相似，很難分辨出鋼筋直徑的大小，這時提取原始模擬結果中的鋼筋反射回波曲線，即X為0.35,m、0.55m、0.75m、0.95m處的單道反射曲線，如圖3-6所示，從圖中看出，不同直徑的鋼筋的反射波形相似，但是能量還是有差別的規律，觀察反射波的波峰和波谷，直徑越大反射波的振幅越大，在本模型中可以計算出直徑每增加1mm，則在同等條件下的反射波振幅能量增加0.2～0.6V/m。

在本模型的正演、偏移、分析計算中可以得到，在測量參數和物性參數相同的情況下，鋼筋的直徑變大，鋼筋的反射能量變大，形成的繞射雙曲線的曲率不變，反射回波的波形不變。

圖 3-2 不同鋼筋直徑的雷達剖面及反射回波單道曲線

3.3 天線中心頻率對鋼筋探測結果的影響

建立模型：模型規格為2.5m*0.5m，上層為空氣，厚度為0.1m，下層為混凝土，厚度為0.4m；混凝土參數為：相對介電常數ε=6，電導率為0.005S/m，相對磁導率μr=1；鋼筋為良導體，直徑為0.005m，埋深為0.3m，第一根鋼筋的橫坐標為0.25m，鋼筋的間距從左到右分別為為0.05m、0.06m、0.07m…0.2m，步階為0.01m。

測量方式選取剖面法，收發距為0.25m，天線中心頻率為400MHz、800 MHz、1.2 GHz，測量位置為空氣和混凝土的分界面上。探地雷達圖像剖面見圖3-3。由圖中可以看出，由于鋼筋對雷達波的強繞射作用，在雷達剖面上形成明顯的雙曲線，且雷達的頻率越高，雙曲線越清晰，這是由于電磁波頻率越高，波長越短，其橫向分辨率越高，雙曲線的頂部對應著鋼筋的位置，由于相鄰的繞射波的相互疊加，在雷達剖面的左側會出現很強的能量團，這時很難辨識雙曲線的頂點，隨著鋼筋間距的增加，鋼筋的繞射雙曲線可以很好的辨別出來，不同的天線中心頻率，橫向識別鋼筋的能力不同，詳見表格3-1。

圖 3-3不同天線中心頻率的雷達剖面

(a)為400MHz；(b)為800MHz；(c)為1.2GHz

表格 3-1 天線中心頻率與鋼筋間距的關系

從表格中可以看出天線中心頻率越高，可識別的最小鋼筋間距就越小，即橫向分辨率越高，通過比較發現由于混凝土中的介電損耗，橫向分辨率降低了2.4～3.18倍左右。在本模型的正演、偏移、分析計算中可以得到，在測量參數和物性參數相同的情況下，天線中心頻率增加，雷達的橫向分辨率增加，可識別的最小鋼筋間距變小，而且在本模型中由于介電損耗，橫向分辨率和理想情況下的分辨率比值為2.4～3.18之間。

4 小結

在鋼筋混凝土探測中，鋼筋網格的間距和埋深是需要解決的重要問題。本文分析了不同鋼筋直徑、不同鋼筋埋深，不同天線中心頻率探地雷達的探測效果，為鋼筋網格混凝土探測提供了重要的方法技術，為了提高對鋼筋網格識別能力，過模擬研究得到的結論見表。

表格 4-1 鋼筋的混凝土模型模擬結果

道回波曲線，鋼筋的反射能量隨直徑的變大而增強。雷達天線中心頻率在測量參數和物性參數相同的情況下，天線中心頻率增加，雷達的橫向分辨率增加，可識別的最小鋼筋間距變小，而且在本模型中由于介電損耗，在本文模型中的橫向分辨率和理想情況下的分辨率比值為2.4～3.18之間。

5 實例應用

工程應用的實例選在了成都附近的一條鐵路隧道，該區以低山和丘陵為主。測區內測區上覆第四系全新統坡殘積粉質黏土，上更新統風積層松軟土、成都黏土；下伏基巖為侏羅系中統上沙溪廟組泥巖夾砂巖，上統遂寧組泥巖夾砂巖，上統蓬萊鎮組泥巖夾砂巖；壓碎巖。

實驗段的隧道主要襯砌設計參數為：圍巖級別為Ⅳ級，襯砌類型為全封閉復合，二襯環向鋼筋為20cm*20cm25cm*25cm，二次襯砌厚度為45cm，砼強度為C35。

探測使用美國勞雷的SIR-3000地質雷達儀，配置天線為400M、900M。

5.1 鋼筋網探測

圖 5-1 鋼筋網的探測(a)為400M天線(b)為900M天線

初次掃描選用400M的天線，鋼筋繞射雙曲線模糊，但是用900M天線之后，鋼筋繞射雙曲線清晰，可以準確的查清鋼筋的根數和間距，如圖5-1。

6 結論

混凝土作為工程建筑中的重要材料，尤其在隧道支護中，但是混凝土中隱伏危害，如鋼筋網的分布等，造成這些問題的原因有施工中的操作不規范、養護不及時、自然災害等，這些病害如果不及時檢測處理，將會影響整個工程的質量，有時嚴重的時候會危及人身的安全，為了保障工程質量，需要對其中的病害進行精確的定位(李家偉，2002)，探底雷達作為一種快速、無損、高效的檢測手段，在混凝土檢測中獲得了廣泛的應用(周黎明，王法剛，2003; 中國水利電力物探科技信息網，2011; 袁明德，2001A)，但是探地雷達在檢測中也會碰到一些檢測困難的情況，例如雙層鋼筋，會相互干擾，電磁波的能量被屏蔽，對于鋼筋網下鋼筋探測難度加大，本文通過對模擬得到的雷達剖面進行去除直達波和FK偏移處理，找出了探地雷達在探測鋼筋網的方法關系，主要包括以下幾個方面：

（1）研究了鋼筋的直徑、埋深對于鋼筋網格探測的影響，并找出了不同鋼筋直徑和埋深的效果關系；

（2）研究了不同天線中心頻率對于鋼筋網格間距的探測的影響；

通過對以上問題的分析，得到了以下成果：

（1）鋼筋的直徑遇鋼筋反射波振幅呈正比，鋼筋埋深與鋼筋反射波振幅呈反比；

（2）天線中心頻率增加，鋼筋網橫向分辨率增加，但是上層鋼筋網格的分辨率高于下層鋼筋網格

[1]雷宛，肖宏躍，鄧一謙．2006．工程與環境物探教程[M]．北京：地質出版社．

[2]史凌峰．2008．探地雷達檢測中的關鍵技術研究[D]．西安：西安電子科技大學．

[3]舒志樂．2010．隧道襯砌內空洞探地雷達探測正反演研究[D]．重慶：重慶大學．

[4]袁明德．2001A．地質雷達的最新進展[J]．地質裝備（ 03）

[5]曾昭發，劉四新，王者江，等．2006．探地雷達原理與應用[M]．北京：科技出版社．

[6]中國水利電力物探科技信息網．2011．工程物探手冊[M]．北京：中國水利水電出版社．

[7]周黎明，王法剛．2003．地質雷達檢測隧道襯砌混凝土質量[J]．巖土工程界（03）．

[8]李家偉．2002．無損檢測手冊[M]．北京：機械工業出版社：6-20．

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