探地雷達在公路工程探測中的應用

鄧 瑞

(西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川成都 611756)

探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)，又稱地質雷達，是一種通過電磁波在介質內部的傳播規律從而推測介質分布規律或內在結構的一種淺層物探方法。探地雷達采用高頻脈沖電磁波進行探測，相比較于傳統的地球物理方法，其探測過程有更高的效率，探測結果也具有更高的分辨率[1]。正是由于探地雷達技術具有高效率、高分辨率、無損、直觀的特點，其在工程探測領域中得到了廣泛應用。從目前探地雷達的應用情況看，探地雷達在工程探測領域的應用主要有[2]：公路及鐵路工程探測領域、水利工程探測領域、橋梁工程探測領域，如公路鐵路路基質量檢測、隧道超前地質預報及襯砌質量檢測、水利工程隱患檢測、橋梁工程結構檢測及缺陷評價等。利用探地雷達進行工程領域的探測與評價，可提高工程施工效率，為施工方合理安排施工方案與施工進度起到了指導作用。

1 探地雷達探測原理簡介

探地雷達探測系統由發射天線、接收天線和數據存儲控制系統構成。探地雷達發射天線發射一定中心頻率的高頻電磁脈沖，垂直入射到地下各結構層，電磁波會在電性界面及異常體處產生反射，探地雷達接收天線就可接收到不同時間到達的回波，每個回波對應一定深度的結構層界面或目標異常體，在一個測點上得到的一個完整波形，稱一個掃描線，包含了對應測點處的反射波的振幅、頻率、相位及雙程旅行時間等信息。當利用探地雷達進行連續測試時，將每個測點掃描線堆積在一起，就得到連續剖面圖，即探地雷達圖像(圖1)。對原始測量得到的探地雷達圖像進行數據處理，并對處理后得到的雷達剖面圖像進行分析和數據解釋，就可以得電性界面位置、結構層厚度及目標體的分布規律。

圖1 探地雷達工作原理示意

2 探地雷達在公路工程中的應用

不論是在公路的建設還是公路的維護階段，探地雷達都發揮了重要的作用。在建設施工階段，探地雷達可用于基巖潛水面的確定、斷層裂縫的識別、富含水地段的標定以及公路隧道的超前地質預報，為公路的線路設計及施工方案的選取提供資料；在后期驗收和維護階段，探地雷達可用于路基各結構層厚度的檢測、隧道襯砌質量檢測、公路病害隱患的探測，為公路的施工質量的評價以及后期的維護提供依據。以下就探地雷達在公路工程中的部分應用進行詳細說明。

2.1 結構層厚度檢測

由電磁波在路面結構層的傳播時間和面波結構層內的傳播速度可通過公式計算出路面結構層的厚度。因此，厚度檢測的關鍵在于結構層界面的回波時間以及電磁波在結構層傳播速度的確定。圖2為探地雷達檢測路面結構層厚度的原理示意圖[3]。圖中，A0、A1、A2分別表示電磁波在空氣與面層界面產生的反射波波幅、電磁波在面層與基層界面產生的反射波波幅、電磁波在基層與土基界面產生的反射波波幅；從A0到A1波幅的傳播時間Δt1即為電磁波在面層中的雙程旅行時間，而從A1到A2波幅的傳播時間Δt2即為電磁波在基層-中的雙程旅行時間。

圖2 探地雷達結構層厚度檢測原理示意

結構層厚度可按下列公式進行計算：

(1)

式中：H表示結構層厚度，Δt表示電磁波傳播的雙層旅行時間，c表示光速，εr表示結構層內物質的相對介電常數。

該計算式中主要需要確定的參數為εr和Δt，Δt可根據雷達信號目標結構層上下界面反射波回波時間差確定，而相對介電常數在實際應用中并不能保證是一個定值，可通過反射波波幅的變化進行求取，也可在施工過程中采用介電常數測定儀進行測定，或者對鉆孔取芯巖土進行室內速度標定。確定了結構層的雙層旅行時間和相對介電常數就可以根據式(1)進行結構層厚度的計算。

2.2 空洞及脫空識別

在公路的長期使用過程中，由于多種因素的作用下，會形成基層與填土層之間的脫空、路面下空洞以及瀝青層剝落等影響公路使用壽命的病害，探地雷達可有效的識別這些工程病害。

探地雷達對空洞的識別原理基于空洞介質與周圍其他介質存在較大的相對介電常數的差異，空洞在探地雷達剖面圖上的異常通常呈現雙曲線形態，尤其當空洞中介質為空氣且空洞埋深不大時，空洞在雷達剖面圖上會出現明顯的異常特征。而對脫空層進行識別主要是根據在脫空層上下界面產生的反射波極性發生反轉這一原理。如圖3所示，左側圖像顯示剛性路面下有空隙存在，右側圖像為其對應的反射波波形，其中，反射波 A產生于混凝土與空氣界面的反射，反射波 B 是由于空氣與基層界面的反射而形成，反射波 C則是反射波A 與反射波B的疊加，在探地雷達儀器上最終顯示的波形即反射波 C，由于反射波A與反射波B 的反射系數正負不同,導致兩反射波相位(極性)發生反轉。確定出反射波的時差，即可通過公式計算空洞的相關參數。

圖3 探地雷達進行脫空識別原理示意

2.3 隧道超前地質預報

探地雷達可對隧道施工掌子面前方圍巖中的斷層、裂縫、破碎帶、空洞、地下水等不良地質構造進行預測預報，可為施工方合理安排掘進方案、掘進速度和支護措施提供依據。當隧道前方巖層中由于有斷裂、破碎帶或空洞等不良地質體存在時，不良地質體與完整圍巖間存在較大的電性差異，有明顯的介電常數變化，在雷達剖面圖上形成反射波同相軸不連續的強反射異常。圖4顯示的是四川某隧道某處掌子面水平測線反射波波形堆積圖像[4]，縱軸距離即代表掌子面深度。從圖像可知，縱軸距離0～3 m間圖像中有幅度值較強的波形顯示，該波形主要包括直達波及震源附近松動區所產生的強反射波，縱軸距離3～11m間，反射波信號較弱，說明該段內巖石相對較穩定，而在縱軸距離11～27 m間，波形出現多組高頻強反射波，且其同相軸錯亂不連續，說明該段存在多組電性差異界面且不連貫，因此推斷該深度范圍內圍巖巖石節理裂隙較為發育，施工工程易出現落實甚至崩塌等危險，應提前做好應對措施。

圖4 某隧道掌子面反射波形圖像

2.4 隧道襯砌質量檢測

隧道襯砌質量檢測的內容包括隧道襯砌厚度、襯砌背后未填實的空區、復合式襯砌間較大的空隙，襯砌混凝土的密室程度等。隧道襯砌厚度的檢測原理與結構層厚度檢測原理類似，通過確定襯砌中電磁波的傳播速度或襯砌介質的相對介電常數和電磁波的雙程旅行走時利用式(1)進行襯砌厚度的計算[5]。與結構層厚度檢測不同的是，襯砌厚度往往較小，因此盡管可能襯砌與圍巖存在較大的電性差異，雷達反射波剖面圖上異常顯示不是非常明顯，需要進行數據處理以及與現場資料對比進行仔細識別。隧道襯砌脫空檢測原理與前述公路路基脫空檢測原理類似，利用脫空上下兩個界面產生的兩次強反射波的相關波形特征可確定空洞的分布及其到襯砌外表面的距離。但有時脫空所形成的異常與圍巖局部的凸起形成的異常相近，因此確認是否為脫空時，要對異常形態加以細致的分析和確認。在施工過程中應對超挖或坍塌形成的空區進行回填，而探地雷達對回填的密室程度具有明顯的相應特征。在回填欠密室區域，探地雷達圖像上通常出現反射相位不連續強反射信號，可以此為特征判斷欠密室區域進行回填。在利用探地雷達進行混凝土密實度評價時，可根據探地雷達反射波的波形變化特征將襯砌混凝土分為密室和相對不密室。密室時，反射波相位穩定，層內沒有強振幅的雜亂反射，而不密室時，反射波振幅變化較大，相位不穩定，波形雜亂。

2.5 鋼筋分布及混凝土保護層厚度檢測

與探測其他目標體一樣，鋼筋與周圍介質存在的較大的電性差異為探地雷達的探測提供了良好的探測條件。當發射天線發射的電磁波經過鋼筋時，會出現較強的反射振幅，反射相位也相對穩定。同時，應該注意探地雷達的中心頻率的選取，以防止橫向分辨率過低造成相鄰目標體識別發生混亂現象。圖5為某在建大橋沿橋墩某測線經過數據處理的探地雷達圖像[6]，從圖5中可以清晰地識別鋼筋數量，從而可以與設計數量相比較判斷是否符合設計要求，同時可根據反射回波的雙程旅行走時和電磁波在混凝土中傳播的速度或混凝土的介電常數，利用式(1)可計算出主筋的保護層厚度，從而判斷是否符合設計要求。

圖5 某大橋沿橋墩某測線探地雷達圖像

3 存在的問題及分析

探地雷達在上述眾多方面中的應用表明其在地下隱患無損檢測及工程質量檢測方面具有獨特的優越性，并能在相對較差的測量環境中進行探測。同時，與其它地球物理方法相比，其采用高頻脈沖電磁波使其具有更高的分辨率。然而，探地雷達在實際使用中仍然存在局限性。首先，探地雷達雖然相比其它地球物理方法操作更便捷，但在某些復雜惡劣環境中施工仍耗時耗力，如在長距離隧道襯砌質量檢測中，目前大多是在支撐架進行拱頂的人工質量檢測，此方法危險、效率不高，且由于人工原因難以保證雷達數據的質量和連續性；又如鐵路路基的檢測中，由于鐵路路基較長，人工進行探地雷達檢測費時費力，若在已通車段進行檢測，還存在一定危險性，針對前者，可借鑒機械工程中各種已有便捷結構應用于探地雷達儀器中，既提高檢測效率，又實現隧道頂部質量檢測資料的連續性；針對后者，可進行探地雷達儀器的智能化研究，實現探地雷達能智能地沿鐵路軌道進行連續檢測，節約探測時間的同時提高探測效率。其次，探地雷達和其它的地球物理方法一樣，存在著分辨率與探測深度的矛盾，針對此矛盾，可進行探地雷達儀器的改革，如提高探測儀器的發射功率和發射效率，降低儀器可接受信號的最小功率；也可借鑒石油物探和軍事儀器中的陣列技術將雷達“陣列化”，以求達到探測深度與分辨率的最大平衡以及獲取信息數據的最大化。最后，在進行探地雷達的檢測時，時常需要更換不同中心頻率的探地雷達，由于低頻雷達體形較大，更換過程費時，攜帶也不方便，對此，可探討探地雷達儀器不同頻率天線的集成化，實現儀器的體積減小以方便攜帶，同時易于更換選擇不同中心頻率的探地雷達進行檢測。

4 結束語

本文主要介紹了探地雷達在公路工程領域中常見的應用，從目前的應用效果看，探地雷達在工程探測領域具有區別于其它地球物理方法的高分辨率、高效率、便捷等優點，取得了較好的應用效果，也在大量不同工程領域中獲得了廣泛的應用，同時為了達到更精準的解釋效果和更高的效率，在探地雷達儀器上還可以進行進一步加深研究，以實現探地雷達探測深度與分辨率的最優化。