地質雷達在隧道路面無損檢測中的應用

摘要：作為一種安全、高效、經濟及操作簡便的無損檢測手段，地質雷達檢測技術在隧道路面質量檢測中的應用前景較好。針對某隧道在運營期路面發生不均勻沉降的問題，采用500MHz天線對該隧道路面缺陷進行地質雷達無損檢測，獲得路面脫空、不密實等缺陷位置及規模，以指導現場注漿加固施工，為保障隧道路面質量、決隧道不均勻沉降問題提供依據。

關鍵詞：地質雷達；隧道路面；無損檢測；應用

地質雷達檢測作為一種安全、高效、經濟及操作簡便的檢測手段被廣泛應用于無損檢測中[ 1 ]，在隧道超前地質預報、二襯厚度檢測、管線檢測等方面應用較為廣泛[ 2 ]。近年來，隨著地質雷達檢測技術的迅猛發展，其在土木工程中的應用越來越廣泛，可以預見其在道路路面檢測中將取得良好的應用效果。現有某隧道路面發生沉降，在現場擬通過注漿方式對隧道仰拱底部部位進行加固處理。為探測注漿加固效果及檢測路面質量缺陷，需要在注漿之前對擬注漿區域的路面進行質量檢測。鑒于地質雷達檢測的諸多優點，采用地質雷達對路面缺陷進行檢測，以指導后續注漿施工。

1探測原理及設備

1.1地質雷達探測原理

1.2儀器設備

探測使用的儀器是MALA地質雷達。針對本次探測目標的工程特點，采用工作頻率為500MHz的天線，該儀器的特點是分辨率高，擅長于進行大數據量，中、短距離的連續探測并實時顯示灰度圖，適合本工程的探測需要。

2 探測過程

2.1技術參數

采用了不同的采集時窗，現場采用設備參數滿足探測要求：500M天線；采集時窗：94ns參數；采樣點數：512點/掃描線；采樣頻率25.6GHz（屏蔽）；采樣方式：測距輪。

2.2測線布置及施做過程

測線布置如圖1所示，在檢測區域未注漿前，將檢測區域分為左、右兩側，左側為K+130～255區域，右側為K+155～255區域。左側未加固區域在梅花形注漿孔范圍從左至右布置了4條測線，分別為Z1、Z2、Z3和Z4測線。其中，Z1、Z3測線為小里程往大里程方向；Z2、Z4測線為大里程往小里程方向。在右側檢測區域布置了三條測線，分別為Y1、Y2和Y3測線。其中，Y1、Y3測線為小里程往大里程方向；Y2測線為大里程往小里程方向。

3地質雷達數據預處理

實際測試環境下，隧道內采集到的原始數據由于噪聲雜波干擾、拖尾震蕩等因素，信號質量往往很不理想，因此需要經過預處理過程提高信號質量。處理的主要流程為：原始數據-直耦波去除-窗函數帶通濾波-F-K域濾波-時變增益補償。

3.1直耦波去除

3.2窗函數帶通濾波

隧道采集中會存在很多不同頻的干擾影響，如環境隨機噪聲、系統熱噪聲、空間中干擾信號構成的背景雜波等。窗函數法是將采集到的時域波形變換到頻域后乘以設計好的窗函數，濾除不需要的頻率分量。窗函數的形式主要有矩形窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗和Kaiser窗等。

經過試驗，本文采用的地質雷達系統使用64點Hamming窗生成的200MHz-1GHz帶通濾波器可以獲得較好的去噪效果。

3.3 F-K域濾波

F-K濾波即頻率-波數域濾波，是一種基于回波信號中有用信號與其他雜波視速度的不同來抑制雜波的方法。F-K主要依賴的是二維傅里葉變換。

此濾波器對低視速空氣中背向的雜波干擾以及高視速直達波干擾都有較好的去除作用。本文選取的是對斜率在[0.3，1.5]和[-1.5，-0.3]之間的分量都進行保留，其余均被去除。

3.4時變增益補償

在遠場條件下，探地雷達的信號在傳播過程中存在的擴散衰減。為了使得接收到的反射回波的振幅能夠體現地下目標的真實特性，需要對探地雷達回波的振幅進行補償。

時變增益處理是將一條時變增益曲線與雷達信號相乘達到信號增強的目的，曲線的增益需要根據實際的情況來選取。

4地質雷達檢測結果

本次地質雷達檢測采用500M天線進行了探測，典型檢測路面對應測線的地質雷達圖像及相關缺陷分別如圖2所示。其中，為便于觀察，對同一位置在不同測線處出現的同一病害并未同時標出，圖中僅標識出較明顯的脫空或不密實處。

如圖2所示，在未注漿前，左右側仰拱處底部存在不同程度的不密實情況以及脫空情況。對仰拱測線處深部信號進行分析，在深部電磁波反射信號總體上出現明顯變化，即頻率變化幅度大、振幅較強，這可能是由于底部圍巖密實程度較差，電磁波反射信號遇到不均勻介質出現較強的反射。

忽略測量過程中表面不能緊密貼合情況，匯總較大病害（由于電磁波波速在不同介質中傳播速度并不一樣及探測過程中條件限制，所得深度及缺陷僅為參考值），針對這些地方可嘗試采取相應措施處理。

（作者單位：中國安能建設集團有限公司軍民融合辦公室）