提高隧道無(wú)損檢測(cè)縱橫向分辨率

高 陽(yáng)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理是根據(jù)土質(zhì)、巖層及其它物質(zhì)導(dǎo)電率（電阻率的倒數(shù)）及介電常數(shù)的不同、一級(jí)相鄰兩種物質(zhì)的電性、物性差異作為測(cè)試條件，形成反射界面而探測(cè)地下目的體。由于襯砌混凝土與圍巖（花崗巖、砂巖、黃土等）之間存在物性差異，缺陷部位襯砌混凝土被水或空氣填充，與密實(shí)的混凝土的物性有明顯差異。地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)不同頻率的探測(cè)天線(xiàn)發(fā)射不同主頻的電磁波型號(hào)，電磁波信號(hào)在遇到土層、巖層、固液交界面介電常數(shù)發(fā)生變化的地方（在隧道中在混凝土中傳播中，遇到鋼筋、鋼拱架、空洞、不密實(shí)的混凝土界面）都會(huì)發(fā)生電磁波的反射，形成反射波信號(hào)，反射波信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)被接收天線(xiàn)接收，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后可判斷不同地層的水平位置、深度（在隧道襯砌檢測(cè)中，反應(yīng)為鋼筋、鋼拱架的分布及混凝土缺陷的位置、深度及范圍）。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用了電磁波法來(lái)探測(cè)地下地質(zhì)體，使用發(fā)射天線(xiàn)定向發(fā)射一定頻率區(qū)段的電磁波，經(jīng)過(guò)傳播到目標(biāo)體發(fā)生電磁波反射，形成反射波后被接收天線(xiàn)接收，而實(shí)際應(yīng)用期間，反射波信號(hào)會(huì)受到三種干擾的影響，一是屏蔽天線(xiàn)在理論上只是特定方向發(fā)射電磁波信號(hào)，而實(shí)際過(guò)程中會(huì)有部分電磁波信號(hào)泄露到其他方向，傳播到周?chē)奈矬w（如隧道二襯面、裝修臺(tái)車(chē)及各類(lèi)附近的大型機(jī)械等）形成反射波信號(hào)，反射回形成干擾信號(hào)；二是自然界及人類(lèi)活動(dòng)中都會(huì)產(chǎn)生各種頻段的電磁波信號(hào)（如電力線(xiàn)、廣播信號(hào)、手機(jī)通信信號(hào)、廣播電視信號(hào)等），接收天線(xiàn)在接收反射波信號(hào)的同時(shí)，也接受了自然界及人類(lèi)活動(dòng)中的電磁波信號(hào)，而這些信號(hào)在數(shù)據(jù)分析階段成為干擾信號(hào)；三是在地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)時(shí)，外界條件（如隧底積水、隧道襯砌面潮濕、隧道板之間錯(cuò)臺(tái)等）也會(huì)影響發(fā)射信號(hào)在介質(zhì)中的傳播，導(dǎo)致隧道反射信號(hào)能量的衰減、傳播方向發(fā)生彎折，接收信號(hào)的能量降低，影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的分辨率。

3 原因分析

隧道地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)在隧道中的應(yīng)用主要用于發(fā)現(xiàn)隧道缺陷（包括混凝土質(zhì)量問(wèn)題、鋼筋及鋼拱架數(shù)量及分布等缺陷），提高隧道檢測(cè)的縱橫向分辨率，就是提高目標(biāo)體（混凝土中的不密實(shí)、脫空、空洞的缺陷及鋼筋、鋼拱架的分布）的縱橫向分辨率，通過(guò)對(duì)多座隧道的檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)地踏勘，找到對(duì)隧道數(shù)據(jù)分辨率有關(guān)鍵性影響的主五個(gè)關(guān)鍵因素：

1）通信基站干擾

2）電力線(xiàn)干擾

3）裝修臺(tái)車(chē)干擾

4）隧底積水

5）天線(xiàn)測(cè)量跳點(diǎn)干擾

4 問(wèn)題分析與解決

4.1 通信基站干擾

由于移動(dòng)通信業(yè)的快速發(fā)展，在隧道施工過(guò)程中，為了方便隧道內(nèi)外的通信，越來(lái)越多的在建長(zhǎng)大隧道安裝了移動(dòng)通信基站。但由于通信基站電磁信號(hào)頻段與隧道內(nèi)無(wú)損檢測(cè)地質(zhì)雷達(dá)所使用的電磁信號(hào)頻段有重合，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)受到明顯的電磁干擾。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)采用以下方法的一種或組合使用幾種可有效的避免通信基站的干擾

1）最徹底的方法就是關(guān)閉隧道內(nèi)的通信基站，可完全避免移動(dòng)信號(hào)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響，值得注意的是：在地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間放置在已開(kāi)啟的通信基站附近時(shí)，發(fā)射線(xiàn)圈及接收線(xiàn)圈會(huì)因?yàn)榻咏鼜?qiáng)烈的通信基站電磁信號(hào)磁場(chǎng)被磁化，導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法正常工作，從而采集不到高分辨率的數(shù)據(jù)，此時(shí)需在將雷達(dá)防止在無(wú)電磁干擾或弱電磁干擾的地區(qū)靜置一段時(shí)間方可消除磁化，恢復(fù)采集高分辨率數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

2）通過(guò)查閱資料對(duì)移動(dòng)通信基站頻段信息進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三大通信公司（中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通及中國(guó)電信公司）的基站所用頻段為800MHz～1000MHz、1900MHz～2500MHz及3000MHz～5000MHz三個(gè)頻段范圍，而隧道檢測(cè)應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)為主頻為900MHz，400MHz及200MHz，其中900MHz天線(xiàn)與移動(dòng)基站的頻段有重合，受到干擾情況最大，而主頻為400MHz及200MHz的天線(xiàn)在探測(cè)范圍內(nèi)基本可以避開(kāi)通信基站的頻段范圍，所以在通信基站干擾區(qū)應(yīng)采用主頻為400MHz及主頻為200MHz的雷達(dá)天線(xiàn)，避免使用900MHz天線(xiàn)。

3）通過(guò)對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用FIR帶通濾波器要優(yōu)于其他形式的濾波器，在通信基站干擾信號(hào)影響較大的數(shù)據(jù)段應(yīng)用FIR濾波器，選擇帶通濾波器，下限設(shè)置為100MHz，上限設(shè)置為400～600MHz之間，可以將干擾信號(hào)壓制到最低，同時(shí)很好的保留有效信號(hào)，從而得到高分辨率的數(shù)據(jù)。

4.2 電力線(xiàn)干擾

隧道由于施工、照明、排水等需接入電力線(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)位于電力線(xiàn)附近時(shí)由于電力線(xiàn)的電磁感應(yīng)，發(fā)射及接收的電磁波信號(hào)會(huì)受到電磁干擾，尤其是邊墻或拱腰的電力線(xiàn)完全平行于測(cè)線(xiàn)走向，會(huì)導(dǎo)致整條測(cè)線(xiàn)受到電力線(xiàn)的電磁干擾，對(duì)于電力線(xiàn)干擾會(huì)造成雷達(dá)圖像上雪花狀的高頻干擾，較為有效的解決方法有以下兩種：布設(shè)測(cè)線(xiàn)時(shí)應(yīng)在滿(mǎn)足檢測(cè)要求的情況下，與電力線(xiàn)保持較大垂直距離；在數(shù)據(jù)處理中通過(guò)橫向平滑可以將電力線(xiàn)造成的高頻信號(hào)壓制，在做橫向平滑時(shí)要注意采用適當(dāng)參數(shù)，防止因過(guò)度平滑影響有效信號(hào)的識(shí)別。

4.3 裝修臺(tái)車(chē)干擾

隧道裝修臺(tái)車(chē)及注漿臺(tái)車(chē)是每座施工隧道的必備臺(tái)車(chē)，由于臺(tái)車(chē)材料絕大多數(shù)為金屬材質(zhì)，在雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，由于信號(hào)遇到金屬物體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)，導(dǎo)致在檢測(cè)臺(tái)車(chē)段的檢測(cè)信號(hào)收到極大的干擾，無(wú)法有效識(shí)別目標(biāo)體，導(dǎo)致隧道檢測(cè)有效信號(hào)的分辨率嚴(yán)重下降，而這種強(qiáng)金屬反射信號(hào)很難通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理進(jìn)行消除，目前較為有效的方法為：將隧道臺(tái)車(chē)移出檢測(cè)區(qū)域，在隧道二次襯砌的檢測(cè)時(shí)，將裝修臺(tái)車(chē)移到初支面或?qū)⒀b修臺(tái)車(chē)移到隧道洞口，待檢測(cè)段應(yīng)保證遠(yuǎn)離檢測(cè)臺(tái)車(chē)5.0～10.0m以上；對(duì)于初期支護(hù)的檢測(cè)，有很多時(shí)候無(wú)法避免開(kāi)檢測(cè)臺(tái)車(chē)時(shí)，在布設(shè)測(cè)線(xiàn)距離應(yīng)距檢測(cè)臺(tái)車(chē)施工站立平臺(tái)1.5m以上。

4.4 隧底積水

在富水地層或地下水較豐富的山區(qū)，由于排水不暢或地下水水量過(guò)大等原因，會(huì)造成隧底積水，隧底積水會(huì)使電磁波信號(hào)能量嚴(yán)重衰減，影響到隧道雷達(dá)信號(hào)的探測(cè)深度，單純的通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)增益等方法容易出現(xiàn)虛假異常信號(hào)，隧底積水會(huì)使電磁波能量衰減速度變快，導(dǎo)致深部能量小，探測(cè)深度變小，縱向分辨率變低，但由于仰拱混凝土一般為1.0～2.0m厚，厚度大，所以做好仰拱面檢測(cè)要將仰拱面積水清理干凈，對(duì)于清理后依舊潮濕的隧道底板檢測(cè)需同時(shí)采用主頻為400MHz及主頻為200MHz天線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，既可以用400MHz天線(xiàn)探測(cè)來(lái)彌補(bǔ)200MHz天線(xiàn)的分辨率較低的問(wèn)題，又可以用200MHz天線(xiàn)來(lái)彌補(bǔ)400MHz天線(xiàn)探測(cè)深度淺的問(wèn)題。

4.5 天線(xiàn)測(cè)量跳點(diǎn)干擾

由于隧道施工模板臺(tái)車(chē)的老化變形、拼裝模板的剛度低等原因，會(huì)造成隧道環(huán)形施工縫的錯(cuò)縫或錯(cuò)臺(tái)，在檢測(cè)過(guò)程中雷達(dá)天線(xiàn)不能密貼檢測(cè)面，在雷達(dá)圖像上顯示為數(shù)據(jù)跳點(diǎn)，而在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)隧道環(huán)形施工縫處易出現(xiàn)鋼筋布設(shè)及混凝土脫空及欠厚缺陷，所以做好接縫處的雷達(dá)探測(cè)是必要的，消除跳點(diǎn)的辦法需先畫(huà)出隧道檢測(cè)測(cè)線(xiàn)，然后對(duì)測(cè)線(xiàn)通過(guò)的錯(cuò)縫或錯(cuò)臺(tái)處，用打磨機(jī)磨平后，是接縫之間的差值小于0.5cm，不影響連續(xù)檢測(cè)要求時(shí)再進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)記錄中要記錄好被打磨點(diǎn)的位置，監(jiān)測(cè)因打磨引起的混凝土欠厚。

5 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)方法自上世紀(jì)開(kāi)始使用代至今，已被廣泛應(yīng)用到考古、勘探、建筑、公路、鐵路等各個(gè)行業(yè)隨著我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，隧道工程的地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用急劇擴(kuò)大，如何有效的采集隧道檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高隧道檢測(cè)縱橫向分辨率也成為了行業(yè)內(nèi)一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，本人結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢測(cè)方法，討論了對(duì)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)造成明顯干擾的幾個(gè)方面：通信基站干擾、電力線(xiàn)干擾、裝修臺(tái)車(chē)干擾、隧底積水及天線(xiàn)測(cè)量跳點(diǎn)干擾，并針對(duì)各個(gè)干擾對(duì)數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行分析，提出了多種有效且易實(shí)施的解決方案，在一定程度上解決了如何提高提高隧道無(wú)損檢測(cè)縱橫向分辨率的問(wèn)題。