不同頻率雷達天線在礦山法隧道檢測中的適應性研究

【摘要】探地雷達作為礦山法隧道的一種高效無損的質量檢測技術，在地鐵礦山法隧道檢測中得到廣泛應用。通過預制混凝土標準塊模擬礦山法隧道襯砌形態(tài)來研究探地雷達的檢測精度已得到廣泛認可。本文采用GSSI公司900 MHz、1.5 GHz天線對礦山法隧道不同工況下的標準塊進行數(shù)據(jù)采集、分析，研究不同頻率天線對不同襯砌形態(tài)的適用性及檢測精度。

【關鍵詞】混凝土標準塊；礦山法隧道；天線；檢測精度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.05.050

Study on Adaptability of Radar Antennas with Different Frequencies in Mine Tunnel Detection

SHEN Dongmei

（Sujiaoke Group DetectionAuthentication Co.， Ltd.， Nanjing 211112， China）

Abstract： Ground penetrating radar （GPR）， as an efficient and nondestructive quality detection technology for mining tunnels， has been widely used in subway tunnel detection. It has been widely recognized that the detection accuracy of ground penetrating radar （GPR） is studied by simulating the lining shape of mining tunnel with precast concrete standard blocks. In this paper， GSSI 900 MHz and 1.5 GHz antennas are used to collect and analyze the data of standard blocks in different working conditions of mining tunnel， and the applicability and detection accuracy of antennas with different frequencies to different lining forms are studied.

Key words： concrete standard block； mining tunnel； antenna； detection accuracy

0引言

21世紀以來，城市軌道建設進入高速發(fā)展時期，隨著地鐵建設里程的不斷增加，隧道數(shù)量也大大增加。為避免開挖、回填對山體及周圍環(huán)境的影響，在地質較復雜地區(qū)，隧道開挖方式常采用礦山法。在礦山法隧道施工過程中，由于施工環(huán)境惡劣、施工不規(guī)范及施工人員的質量意識較差等因素，襯砌可能會產生空洞、不密實等質量缺陷，影響礦山法隧道施工質量，嚴重的將影響后期地鐵運營安全。因此，對于施工過程中礦山法隧道質量的檢測顯得尤為必要。

礦山法隧道質量檢測常用的方法包括破損法和無損檢測方法。破損法采用鉆孔取芯方法檢測，該方法雖然具有直觀性，但一方面對襯砌結構具有破壞性，另一方面只能反映所取襯砌部位的質量，不能全面反映襯砌的施工質量，因此不能全面評估隧道的施工質量。作為無損檢測方法代表的探地雷達無損檢測技術，采用連續(xù)掃描，能夠獲得襯砌內部質量的連續(xù)結果，是一種快速、經濟、簡便的檢測方法，具有檢測結果直觀，能在較短的時間內完成較大長度的隧道襯砌質量檢測等優(yōu)點，因此在礦山法隧道施工中該檢測技術得到廣泛的運用。

在探地雷達檢測理論研究方面，國內開展的研究相較于國外起步較晚，主要研究集中在對雷達的數(shù)值模型模擬以及信號的處理研究等方面。在實驗室內采用標準塊代替實體進行研究方面，國內許多學者研究了該方法的可行性，模擬試件的檢測精度與實際基本吻合。

1探地雷達工作原理

探地雷達通過發(fā)射天線向被測物體內發(fā)射電磁波，電磁波向被測內部物體傳播，當遇到不同相對介電常數(shù)的介質時，部分電磁波被反射并被接收天線接收，數(shù)據(jù)接收后采用后處理軟件對其進行分析，通過入射波與接受波頻率、振幅、相位等的變化可判斷被測物體內的缺陷性質、位置和大小。

2試驗目的

為驗證不同頻率天線所適用的混凝土結構厚度，本文根據(jù)南京地鐵礦山法隧道二次襯砌標準斷面設計參數(shù)及常見隧道結構缺陷，制作兩種不同的混凝土標準塊，并采用兩種不同頻率天線進行數(shù)據(jù)采集、分析，得出不同工況下，不同頻率天線的適用性及檢測精度，從而能夠更為合理的選擇天線頻率。

3試驗儀器設備及對象

本試驗儀器設備包括：GSSI公司SIR-3000型主機、900 MHz、1.5 GHz天線、FGMOD611測量輪、RADAN 7.4數(shù)據(jù)處理軟件。

結合南京地鐵礦山法隧道二次襯砌標準斷面設計參數(shù)，設計1#、2#混凝土標準塊，兩塊標準塊厚度、首排鋼筋保護層厚度及內部介質均不同。圖1和圖2為2片標準塊的設計斷面圖。其中，1#標準塊分布兩層鋼筋；2#標準塊分布兩層鋼筋且布設鋼邊止水帶和孔洞。

4標準塊相對介電常數(shù)確定

為消除因選取相對介電常數(shù)不合適而造成的測量誤差，在數(shù)據(jù)采集工作開始前，采取現(xiàn)場率定標準塊的方式，確定被測標準塊的相對介電常數(shù)值。

在采用探地雷達對標準塊進行數(shù)據(jù)采集時，為突出底界面的反射波，分別在1#、2#標準塊底部粘貼金屬片，采用不同天線對粘貼金屬片的標準塊進行數(shù)據(jù)采集，并對不同天線采集的數(shù)據(jù)進行后處理分析，經后處理分析得出，1#標準塊雷達波雙程走時為9.10 ns，2#標準塊雷達波雙程走時12.79 ns。經計算得1#、2#標準塊相對介電常數(shù)值分別為10.07、10.22。

5數(shù)據(jù)采集與分析

5.1數(shù)據(jù)采集

為驗證不同頻率天線對于南京地鐵礦山法隧道二次襯砌的適用程度，分別采用900 MHz、1.5 GHz天線，對2片標準塊進行數(shù)據(jù)采集及分析。圖3、圖4給出了不同頻率天線掃描1#標準塊所得雷達灰度圖，圖5、圖6給出了不同頻率天線掃描2#標準塊所得雷達灰度圖。

5.2數(shù)據(jù)分析

1）不同天線頻率適用性研究

由圖3、圖4可見，當采用900 MHz、1.5 GHz天線時，1#標準塊內部的雙排鋼筋、標準塊底界面均能較為清晰得出。

由圖5、圖6可見，當采用900 MHz頻率天線時，2#標準塊內雙排鋼筋、標準塊底界面均能分析得出；當采用1.5 GHz頻率天線時，通過濾波、反褶積、局部指數(shù)增益等信號處理手段，可識別第二排鋼筋，但鋼筋灰度圖像畸變嚴重，且標準塊底界面無法有效識別。

由以上分析得出：

①礦山法隧道二次襯砌厚度為設計厚度時（35 cm、40 cm），采用900 MHz、1.5 GHz頻率天線可滿足檢測精度要求；

②礦山法隧道二次襯砌厚度較大，如達60 cm時，采用900 MHz頻率天線進行檢測較為合適；

③對實際厚度不清楚的二次襯砌進行質量檢測時，宜優(yōu)先采用900 MHz頻率天線對鋼筋位置及襯砌厚度進行摸底，若襯砌厚度在40 cm范圍內，可再選擇1.5 GHz頻率天線進行檢測。

2）標準塊雙排雙向鋼筋排距值測量分析

采用濾波、背景去除、反褶積、區(qū)域增益調整等數(shù)據(jù)處理方法對1#、2#標準塊所采集的數(shù)據(jù)進行分析，并得出不同頻率天線對不同標準塊采集的鋼筋排距值。表1列出900 MHz、1.5 GHz頻率天線對于1#和2#標準塊內雙排鋼筋排距的雷達數(shù)據(jù)分析值與現(xiàn)場實測值的絕對偏差與相對偏差值。

由表1所列數(shù)據(jù)分析可得：

1）鋼筋間距為15 cm，檢測標準塊雙排雙向鋼筋時，1.5 GHz天線精度稍高于900 MHz天線；

2）對于厚度在40 cm，排距25 cm的混凝土構件，由900 MHz與1.5 GHz天線得出的數(shù)據(jù)，其絕對偏差在2 cm范圍內，相對偏差在10%范圍內；

3）當構件深度由43 cm增大到60 cm時，雷達檢測數(shù)據(jù)絕對偏差與相對偏差均增大；

4）當?shù)V山法隧道二次襯砌厚度較大（60 cm）時，采用900 MHz頻率天線進行檢測，能滿足實際需求。

6結論

本文對混凝土標準塊所采集的數(shù)據(jù)進行分析，測試并計算得到混凝土標準塊的相對介電常數(shù)，通過對1#、2#標準塊雷達掃描數(shù)據(jù)的分析與實測值進行比對，得出如下結論：

1）對于實際厚度小于40 cm的隧道二襯，優(yōu)先選用1.5 GHz天線，并通過濾波、反褶積、局部指數(shù)增益等信號處理手段分析數(shù)據(jù)；

2）對于存在超挖現(xiàn)象的礦山法隧道二襯，宜采用900 MHz天線進行數(shù)據(jù)采集與分析，保證二排鋼筋及二襯與初支交界面的可識別性；

3）對實際厚度不清楚的二次襯砌進行質量檢測時，宜優(yōu)先采用900 MHz頻率天線對鋼筋位置及襯砌厚度進行摸底，若襯砌厚度在40 cm范圍內，可再選擇1.5 GHz頻率天線進行檢測；

4）隨著鋼筋埋深的增大，鋼筋排距的分析值與實測值的誤差逐漸增大。

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【作者簡介】

沈東美，女，1975年出生，高級工程師，學士，研究方向為軌道交通工程質量咨詢與檢測。

（編輯：謝飛燕）