地質雷達在公路隧道工程檢測中的應用

張鵬

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅蘭州730000）

0 引言

當前，在我國公路建設過程中，公路隧道工程的施工質量對于公路工程的建設質量影響較為明顯。如果公路隧道施工質量出現問題，會影響整個公路的通行順暢程度，嚴重時導致隧道坍塌，堵塞公路交通，造成額外的經濟損失以及人員傷亡，因此需要重視公路隧道工程的施工質量控制工作。地質雷達檢測技術作為當前常見的公路隧道檢測技術之一，是一種物探手段，不會對現有隧道結構產生任何破壞，并且檢測精度高、時間短，但對操作人員專業技能以及綜合素質要求較高。因此，加強地質雷達檢測技術在公路隧道工程檢測中的應用研究意義重大。

1 地質雷達檢測技術的工作原理

地質雷達檢測技術作為當前應用較多的地球物理檢測技術之一，是利用一定頻率的電磁波對地下介質分布情況實施精準探測。地質雷達檢測技術主要利用發射天線定向發射高頻率電磁波，當電磁波接觸到電性差異大的地層或物體時，會在接觸表面產生明顯反射，利用雷達天線實時接收這些反射信號，雷達天線可沿待檢結構物表面連續移動，所測的每個測點的時間曲線可以匯成時間剖面圖像，就能直觀地反映各種不同的反射面。再通過專用軟件對接收的反射波進行處理解譯，便可依據反射波波形、振幅、頻率、相位及傳播時間等參數，準確定位物體的結構以及空間位置。

通常電磁波在傳播過程中會出現一定程度的衰減，而衰減程度與物體埋深、介質電性差異等方面相關。如果介質電性差異越大，接觸界面反射信號清晰度越高，并在雷達剖面圖上表現出同向軸不連續的情況，由于不同地層介質介電常數、分布形態的差異，電磁波在其中傳播時表現為不同的特征。當地下介質組成單一時，在雷達圖像上反映為同相軸連續、波形規則，波長較短；如果地下介質由不同的介質體組成，它們之間存在介電常數差異，對電磁波的傳播產生影響，從而形成各種不同形態的雷達圖像[1]。

2 公路隧道工程檢測中地質雷達檢測技術的使用步驟

2.1 前期準備工作

在公路隧道工程施工階段，地質雷達檢測技術應用作業前，技術人員應當對于地質雷達設備進行檢驗及性能評估，確保地質雷達設備能夠正常使用，防止在檢測過程中發生設備損壞等問題。同時，技術人員應結合被測物體特征，選擇合適的地質雷達數據采集參數，如天線頻率、采集模式、時窗大小、增益、帶通濾波等，利用反復檢測以及多項檢測等方式，對于地質雷達數據檢測精準度進行檢驗，確保其滿足公路隧道工程的檢測要求。

2.2 地質雷達檢測線路布置

在使用地質雷達前，技術人員應當參照現場隧道走向、斷面面積及地質條件等信息，根據檢測目標以及檢測內容選擇合理的檢測線路。一般來說，地質雷達檢測線路布置形式分為單點檢測、網格測線及縱向連續測線等。在隧道超前地質預報檢測時，多采用井字形網格測線形式。在隧道襯砌混凝土結構質量檢測時，多采用沿隧道拱頂、拱腰及邊墻布置多條縱向連續測線形式[2]。

2.3 地質雷達數據采集

數據采集以及分析功能作為地質雷達檢測技術應用的核心功能之一，實際在地質雷達檢測過程中，數據采集及分析相關參數應該合理設置，避免分析成像模糊以及數據偏離。技術人員應根據探測深度以及介質傳播速度，合理估計相關參數，參照現場情況確定檢測方式。當前地質雷達濾波器主要分為手動及自動設置方式，其中自動設置方式應用較多。基于實際現場需要，技術人員手動調校時，可選擇高通以及低通調校模式。如果地質雷達成像結果清晰度不足時，特別是最終結果噪點數量多且存在其他干擾時，可使用濾波器實施信號處理，盡量將低通調低，高通調高。如果濾波器設置通過頻率范圍過小時，一些有用信號也會被過濾，致使信號數據發生顯著偏離及失真，此時需采用反向調節方式增加信號寬度。現階段，增益調試模式包括自動及手動模式，其中手動調試模式應用較多，直達波及反射波位置確定以及調試工作較為重要，直達波位置調校不到位，回波圖完整度則會受到明顯影響[3]。

2.4 地質雷達數據分析以及數據解釋

在實際數據分析階段，技術人員利用專業軟件對于地質雷達波形圖進行處理。地質雷達剖面圖采用最大分辨率顯示反射波，再利用反射波振幅、波形等參數實施波譜分析，最終形成地質雷達檢測結果。

2.4.1 波譜分析

根據波譜分析理論，反射波反射系數R 主要依據菲涅爾公式進行計算。

式（1）中：ε1、ε2分別為反射界面上、下兩層介質的介電常數。

反射系數越大則說明介質的介電常數差異性越大，反射波能量越大，反射越強烈，兩側介質的屬性均可利用反射波的反射振幅進行具體判斷。

同時，也可利用反射波的相位對介質進行判定。如果反射波從低介電常數介質向高介電常數介質方向傳播時，反射系數表現為負數，說明反射波的相位和入射波相反，為負相位。反之，反射波由高介電常數介質向低介電常數介質傳播時，反射波的相位為正相位，并與入射波振幅方向相同，以此可以判斷界面兩側介質的屬性及反射方向[4]。

一般來說，不同介質的結構特征具有明顯的差異性，而反射波頻率特征也不相同，根據這些特性可以對被測物體的表面實施有效區分。以巖石和混凝土比較來說，混凝土較為均勻，成分較為單一，入射波能量衰減小，其內部反射波強度較弱，基本無反射，頻率多為中—高頻，通常在混凝土內部缺陷位置才會產生反射波。在地質雷達圖像處理過程中，反射信號傳播至連續介質時，則會形成同向軸，而根據同向軸的形態、時間、強弱和方向等諸多數據，技術人員能夠分析評估被測物體的內部結構情況。通常同向軸形態與地下埋設物質界面形態具有一定的差異性，尤其基于邊緣反射效應，邊緣形態實際差異較為明顯，以單獨的地下埋設物為例，其反射同向軸具體表現為拋物線，并且拋物線開口向下。

2.4.2 雷達探測深度對于數據分析的影響

在地質雷達檢測階段，隨著雷達探測深度的逐步增加，雷達信號強度也會明顯減弱。因此，針對這種情況，技術人員應當利用數字濾波以及相關系數調整等方法實現數據處理。如果雷達探測深度相對較遠時，需要采用水平濾波器和垂直濾波器雙重濾波，確保掃描效果。地質雷達的有效探測深度與雷達天線的中心頻率成反比，而檢測精度與天線的中心頻率成正比。在隧道超前地質預報時，多采用50～100MHz的天線，有效探測深度可達20～30m；在隧道襯砌厚度及密實度檢測時，多采用400～500MHz 的天線，有效探測深度可達1～2m；在隧道襯砌鋼筋檢測時，多采用900～1000MHz 的天線，探測深度達0.3～0.5m。

3 公路隧道檢測過程中地質雷達檢測技術的具體應用

3.1 襯砌混凝土厚度檢測

在襯砌混凝土厚度檢測過程中，傳統檢測方法，如鉆芯法，會對鋼筋混凝土產生明顯的破壞，且容易破壞隧道的防排水系統，對于整體工程質量影響較大，容易造成運營期隧道發生滲漏水，并且檢測結果代表性較差。基于這種情況，目前在國內公路隧道建設領域，已大量應用地質雷達檢測技術，對襯砌混凝土厚度實施有效檢測。應用該技術不會對于混凝土整體性造成破壞，并且雷達檢測具有明顯的連續性，使實際檢測結果的精準度更高。因此，目前地質雷達檢測技術已逐漸成為公路隧道工程重要的質檢方法。地質雷達檢測襯砌混凝土厚度圖像，如圖1所示。

圖1 地質雷達檢測襯砌混凝土厚度圖像

3.2 混凝土缺陷情況檢測

通常在公路隧道工程施工過程中，由于超挖嚴重、初噴混凝土平整度差、混凝土和易性差及澆筑工藝不合理等原因，襯砌混凝土經常發生密實度低、脫空面積大以及空洞數量多等缺陷問題。針對這些情況，傳統的破損檢測方法難以滿足質量控制需求，因此采用地質雷達檢測技術重點檢測混凝土缺陷情況已成為一種必不可少的檢測手段。一般來說，在混凝土空洞內存在大量空氣，如電磁波從襯砌進入空氣時，介電常數波動較為明顯，進而產生一定的反射波。而且處于空氣介質中，電磁波衰減幅度較小，會在空洞中出現多次反射情況，呈現特定的波形特征，通過這些波形特征便可確定混凝土的缺陷情況（見圖2）。

圖2 典型襯砌缺陷雷達圖像

3.3 鋼支撐位置以及數量檢測

當前混凝土內部鋼支撐位置以及數量檢測時，均利用地質雷達檢測技術實施檢測作業。由于鋼支撐密度相對較高，地質雷達發出的電磁波遇到鋼材后會產生強烈的反射波。這些反射波利用軟件數據處理則會生成相應的反射圖像，見圖3。如果地質雷達檢測出混凝土中有鋼支撐，其反射波會呈現明顯的月牙形，每個反射波表明1 榀鋼支撐以及其在混凝土中的具體位置。因此，通過地質雷達檢測技術，技術人員能夠準確判定被檢測位置的施工質量是否達標，從而顯著提升整體施工質量的檢測效率，減少人工檢測工作量以及檢測成本。

圖3 初期支護鋼支撐雷達圖像

3.4 隧道超前地質預報應用

在隧道施工過程中，會遇到復雜多變的地質條件，僅僅依靠設計階段的地勘報告很難準確把握隧道掌子面前方圍巖的具體情況。如果在不清楚圍巖的情況下，貿然開挖，極易發生塌方、突水、涌泥等安全事故，造成惡劣的社會影響和嚴重的經濟損失。目前地質雷達檢測技術已成為隧道超前地質預報，尤其是中短距離預報最常用的方法之一，可廣泛應用于對斷層破碎帶、巖溶、節理裂隙發育帶、軟弱夾層以及地下水等不良地質的預測預報。電磁波在完整巖體中傳播時，入射波能量衰減慢，基本無反射。反射波特征為：波長短，頻率高，振幅小，波形較規律，無強反射界面。當電磁波遇到上述不良地質體時會產生強反射波，反射波的波長、頻率、振幅和同相軸會發生不同的變化，可以根據波形特征和參數判斷前方圍巖中不良地質體的規模、位置和發育程度。為施工提供依據，提前采取措施，降低安全事故的發生率。

4 地質雷達檢測技術在公路隧道檢測中的應用優化

當前在工程質量檢測過程中，地質雷達檢測技術應用較為廣泛，特別是在公路隧道施工質量檢測方面，能夠對隧道施工質量進行綜合評估。在具體技術應用過程中，地質雷達檢測技術檢測的精準度、圖像分辨率、后續軟件處理效率以及探測密度等均可精準調整，可在較短時間內檢測出公路隧道的施工質量，并且地質雷達檢測技術操作簡單，使用成本低。但不同的檢測技術應用范圍具有一定的差異性，而且地質雷達檢測技術自身存在一些缺陷以及待優化部分。地質雷達檢測技術在公路隧道檢測過程中應用的不足之處包括兩個方面。

一是隧道襯砌厚度值與電磁波在混凝土中的傳播速度具有必然的關聯性。在實際襯砌厚度檢測時，工作人員主要利用自身經驗對于電磁波速度進行實時調節，誤差較大，受工作人員的工作經驗、技術能力等諸多方面因素影響較為明顯。因此，需優化算法或增加新設備用于精準調控電磁波傳播速度。

二是受表層鋼筋多次反射干擾的影響。在地質雷達檢測時，電磁波在反射過程中形成大量的信息數據，再通過相關數據分析確定鋼筋背后結構情況，而天線與鋼筋之間的電磁效應較強烈，以及表層鋼筋出現多次反射情況，均會對鋼筋結構的判斷產生顯著影響。

5 結語

綜上所述，當前我國公路隧道工程建設數量不斷增加。基于提升施工安全以及施工質量的目的，很多施工單位已引入地質雷達檢測技術對工程進行有效檢測。地質雷達檢測技術針對隧道內部結構實施有效掃描，并根據掃描數據形成相應的數據圖譜，再根據圖譜分析確定公路隧道內部結構安全隱患、襯砌厚度、脫空以及密實度等情況。根據實際檢測結果，施工人員能夠制定相應的處理措施，確保整體工程的施工質量，提升隧道使用的安全性以及穩定性，并在一定程度上減少隧道日常維護工作量。