巖土工程檢測中對探地雷達技術的應用分析研究

郭君

摘要：探地雷達技術屬于雷達技術與地質科學技術相融合的地球物理探測技術。擁有非常高的探測效率，且操作較為簡單，具備無損失探測，精度非常高，是運用高頻電磁波反射來探測地下目標的高分辨率電磁方法。文章主要分析了巖土工程檢測中對探地雷達技術的應用，旨在為工作人員提供參考。

Abstract： Ground penetrating radar technology is a geophysical detection technology that combines radar technology and geological science and technology. It has very high detection efficiency， simple operation， lossless detection， and high accuracy. It is a high-resolution electromagnetic method that uses high-frequency electromagnetic wave reflection to detect underground targets. The article mainly analyzes the application of ground penetrating radar technology in geotechnical engineering inspection， and aims to provide reference for staff.

關鍵詞：巖石工程;探地雷達技術;應用分析

Key words： rock engineering;ground penetrating radar technology;application analysis

中圖分類號：TU19? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）10-0272-03

0? 引言

自上世紀60年代中期，美國研究人員便開始研究地雷達技術，將其運用到礦業，確定各個地下水位的位置。其中，在地下水域土壤中都有污染探測方面的應用，地雷達屬于非破壞性地表原位探查技術，可以清楚地為現場提供實時剖面記錄，使得圖像清晰、工作效率高。探地雷達技術作為新興的方法，可以直觀、準確的為工程提供檢測數據。

1? 探地雷達的探測原理

近階段，我國國內經濟呈現快速平穩的速度發展，使得工程建設項目逐漸的增多，工程質量變為各地方逐漸注重的核心問題。以往傳統的監測方法依然沒辦法達到當前施工水平，在此背景下，全新的檢測技術逐漸孕育而生—無損檢測。探地雷達屬于較為直觀、連續以及準確的非破壞性地球物理檢測技術，當前，普遍受到工程技術人員的注重，并大范圍的運用到巖土工程、地基工程以及隧道工程等區域，獲得了非常顯著的成果。探地雷達采用寬帶短脈沖的方式的高頻電磁波，采用天線經由地面輸送到地下，通過地層輸送到地下，在通過地層亦或目標體反射后再回到地面，之后，運用另一天線來接收，在已知地下介質波速V為已知，能準確測定走時t，通過上面已知的數根據公式（1）求出反應物的深度[1]。

其中：α為相位系數;σ為導電率（1/ρ）;ε為介電系數;μ為磁導率。

脈沖波的雙程方向是經由反射脈沖測得走的時間，再通過上式求出反應物的深度。脈沖波的雙程走方向，是通過反射脈沖對于發射脈沖的延時進行確定的，探地雷能依照本身的發射高頻電磁波產生的反射波優秀探測地下地質結構，并通過向地下發射中心為50-900兆赫的短脈沖電磁波與運用和發射電波的天線距離，進而接受兩個天線中點下面的物質，從而發射的回波，這時候雷達儀便能取得此剖面方向上底質層間的反射回波圖形，如圖1。

此外，雷達儀融合鉆孔對回波圖形的分析，便可得到地質剖面的圖形與地質資料。在進行巖土工程過程中，雷達的接收功率會受到很多原因的影響，如：測線附近地物的干擾、地形干擾、耦合效應引起的干擾、空中輸電線干擾、地表金屬物影響等，其中由于天線耦合不好而引起的干擾波，在記錄自始至終都存在，其頻率接近工作主頻，信號強，衰減慢，像無阻尼振蕩。

2? 巖土工程中探地雷達監測技術分析

進行巖土工程施工前期，需清楚探測工程區域內的基層巖土物質分布狀況以及物理力學的原理，了解影響其因素是什么[2]。在巖土工程勘探中，以往的工程師需指導探鉆與工程試驗的方法進行工作的完成。基于鉆探屬于耗費時間的工作，并且對工程的預算擁有非常顯著的制約，因此，運用探底雷達，運用少量的鉆探孔與探地雷實現相應的組合，在通過探地雷達的掃描準確探測出淺層地質分布情況以及改變，進而指導工程師做好前期的勘測工作。通過事實證明，探地雷達與鉆探參照孔的良好融合屬于科學有效且數據非常準確的。

采用探地雷達對巖土進行勘探一般步驟為：

①建立測區坐標，確定測線的平面位置。

測線布置原則：如果測線目標是一維體，假設管線的方向是已知的定向，則應遵循測線垂直管線長軸的原則;假設管線為未知方向，則應遵循測線與管線呈方格網原則;若測線目標是二維體（如基巖面），應遵循測線與二維體整體走向垂直，且根據二維體走向的變化程度調整線距;如目的體的體積較小，應遵循先大網格后小網格、大比例尺的原則來確定目的體的范圍。

②測試方法的制定。

一般分為三種：剖面法、透射法、寬角法。

③測量參數選擇。

探地雷達的測量參數不是固定不變的，需要根據實地情況，具體的選擇、設置測量參數，測量參數的選擇對測量的最終結果是否準確具有直接的影響。一般探地雷達的測量參數需要考慮以下幾個方面：

1）天線中心頻率。

天線中心頻率受目的體的深度與目的體的體積影響，若場地條件許可且分辨率較高的情況下，選擇中心頻率較低的天線，反之，則選擇中心頻率較高的天線。

2）時窗。

時窗長度可由公式（2）估算：

w=1.3*（2*hmax/v）? ? ?（2）

w為時窗，單位：ns;

hmax為最大探測深度，單位：m;

v為地層電磁波速度，單位：m/ns。

由公式（2）可以看出，時窗的選擇主要受最大探測深度和地層電磁波速度影響，兩者呈反相關性，即v越大，w越小，考慮到hmax和v的變化，通常時窗的選擇都應預留出30%以上的余量。

3）掃描點數。

探地雷達所反應出的是波形曲線圖，為了使數據更為準確，在一定頻率下，通常都需要設置多個采樣點，掃描點數p與時窗w和天線頻率s的關系應該滿足：p≥10w·s。

4）掃描速率。

即為每秒掃描的次數，直觀反應為掃描線的密集程度，若掃描線過于密集，則可增加天線的移動速度，增加采集范圍，為了確保采集的掃描線符合后續分析的要求，同一探測范圍內應至少確保20條掃描線。

④電磁波速的估計和標定。

如公式（3）所示，其中h為雷達探測目標深度，t為反射時間，v為電磁波速度，t值和v值的大小與h值呈正相關，t值和v值呈反相關，t值主要受探地雷達設備的影響，因此v值的設置就成為了影響探測精度的主要參數，我們可以從以下三個方面來估算v值：

h=t·v? ? ? （3）

1）通過測量對象材質的介電常數，運用速度公式進行估算;

2）利用已知埋深物體的反射走時進行估算;

3）利用地下點孤立目標產生的反射雙曲線進行估算。

⑤雷達圖像的數字處理。

探地雷達所呈現的圖形，一般都不能直接反應出我們所要的結果，因此，必須對采集到的雷達圖形進行數字處理：

預處理：對數字濾波，低通、高通及帶通、中值濾波等進行點平均、道平均處理。

偏移處理：以射線理論為基礎的偏移歸位方法（波動方程偏移）。

特殊的數據處理方法：復信號分析：瞬時相位、瞬時振幅、瞬時頻率。

⑥雷達圖像解釋。

在進行雷達圖像數字處理后，就能夠對雷達剖面圖像進行解釋，基于被測介質中存在的電性差異，在圖中找到對應反射波。同一界面的反射波形的追蹤需要注意同相性、振幅顯著性變化、波形的特點。在水平電性分界層的反射波組，通常存在與之對應的一組光滑平行的同相軸，這就是反射波形的同相性;反射界面兩側的介質如果在性質上存在差異，則會體現出不同的振幅，振幅顯著性變化的規律一般遵循：空氣—混凝土，振幅反相;混凝土—空氣，振幅不反相;混凝土—水界面—空氣，振幅反相;混凝土—鋼筋—空氣，振幅反相。波形特征分析需要根據不同介質的不同結構特性來判斷，而不同的介質反表現出來的頻譜特征也會存在不同。

3? 探地雷達技術應用分析

對于研究探地雷，我國已經有了多年的經驗，獲得了些許研究成果，積累了較為豐富的工程探測經驗。

3.1 探地雷達技術研究

從理論方面進行研究，可以看出，當前依然聚集在信號處理上，一些物質技術人員為了更好的區分圖像以及解釋地質，通常會采用較為先進的數據處理方法。例如：分形、小波分析等適用于數據處理中[5]。這主要是由于探地雷達接收的信號較為繁瑣，當脈沖電磁波通過地下介質時，會導致波形與波幅發生較為嚴重的改變，然而，發生脈沖余震、系統內部干擾以及地表不光滑方面，都會導致散射、剖面旁側繞射等方面的干擾，造成分辨不出實際記錄圖像。然而，在處理信號時，只約束在時間波形方面的處理。另外，還探討了聚焦技術，通過集中目標體的空間響應，增加信號反褶積等數值處理技術，以此加大地表被初至的高強電磁波模糊反射體波形特點。

3.2 探地雷達探測技術的應用

隨著探地雷達技術研究的開展，我國具備了多臺探地雷達，可以說是覆蓋了全國各個部門，例如：國家研究院、高等學校、地礦、鐵路等，幾乎都運用上了探地雷達。工程技術人員在各自工作區域實施了進一步的系統研究，根據研究程度的逐漸深入，會進一步加大探地雷達技術的運用區域，使得我國探地雷達應用技術一直位列世界先進行列。

我國探地雷達主要涉及如下幾個區域：

①建筑工程質量檢測。此區域屬于探地雷達運用最為有效的區域，最基本的便是工程質量檢測，最主要的要求便是數據需準確有效，然而，很多探測對象卻較為隱蔽，因此，平常的方法不能得到相應關照，但是，使用探地雷達便能很好的解決此項問題。工程缺陷部位介質和健全的部位介質對于常規的介質具有明顯的不同，所以，可采用雷達來查清施工中隱蔽的質量缺陷。探地雷達可以很好的檢測混凝土澆筑質量、土體含水量等相對應的指標，同時也能檢測建筑物結構、混凝土中鋼筋分布、混凝土保護層厚度檢測等方面。

②城市基礎設施探測與檢測。城市基礎設施探測涵蓋了許多金屬與非金屬管線探測、地下空洞探查、城市路面塌陷檢測等。基于城市中存在的干擾源，很多物探方法沒有辦法無能為力。然而，基于探地雷達天線具有屏蔽功能，在此方面擁有一定的優越性，使得高速精準的探測特點獲得有效的發揮。有關應用研究有許多，其效果也各具特色，在地基與樁基基礎工程檢測方面獲得了很大的突破，當前運用探地雷達可以達到精準的探測地基加固處理效果。

4? 存在問題與分析

通常情況下，探地雷達運用的是高頻寬頻帶短脈沖電磁波與高速采樣技術，在探測分辨率方面都高于其余物理方法。然而，這不能說明探地雷達沒有缺陷，在實際運用探地雷達方面還是存在約束性，需進一步研究解決。例如：怎樣提升儀器發射功率與發射效率，可實現加大探測深度的目的;怎樣更進一步的壓制探測現場存在的電磁干擾信號，以便提升儀器信噪比，提升雷達圖像分辨率？以上問題都需我們在今后的探測工作中逐漸研究解決。探地雷運用的區域非常廣泛，檢測區域對雷達技術的要求也在逐漸提升。因此，需在探地雷達探測強衰減介質、解決多區域工程實際問題與缺陷等方面急需提升，這同樣也為探地雷達技術發展指明了方向。

5? 結束語

綜上所述，自分析探地雷達技術后，熟練掌握相應儀器設備、探測現場、數據處理等方面的知識，能夠很好在巖土工程勘探方面為公路、鐵路、隧道工程的施工提供幫助。探地雷達相對于工程中常用的其它無損檢測方法，其優勢在于：

①深度適應性。主要體現在不同天線頻率的選擇能夠適應不同的探測深度;

②分辨率適應性。主要體現在改變天線中心頻率和頻帶寬度，可實現不同分辨率的檢測;

③連續適應性。主要體現在掃描速度快，可移動進行大面積檢測;

④介質分辨性。主要體現在可穿透介質中的空隙探測到內部質量情況，可對有裝修層的結構和構件進行檢測;

⑤圖像分辨性。主要體現在雷達檢測的圖像可以根據需要顯示為二維切片圖或三維立體圖。

參考文獻：

[1]王奕剛.分析巖土工程中的無損檢測技術[J].中國住宅設施，2018（08）：70-73.

[2]詹金錨.波速檢測技術在巖土工程勘察中的應用探討[J].能源與環境，2018（04）：8-9.

[3]趙一儒，謝偉文.關于巖土工程特點分析及勘察技術探討[J].冶金與材料，2018，38（04）：108-109.

[4]王新建.巖土工程樁基檢測技術應用探析[J].城市建設理論研究（電子版），2018（13）：63.

[5]殷文博.綜合勘察技術在巖土工程勘察中的應用分析[J].西部資源，2018（02）：95-96.