探地雷达在隧道质量检测中的应用及数据处理①

陈 刚

(成都理工大学管理科学学院，四川 成都 610059)

0 引言

随着国民经济的发展和科学技术的进步，公路、铁路等基础设施的建设取得了显著的成就，隧道作为交通线上的重要组成部分，国家重要的基础设施也得到了较快的发展，在2000年以后我国的公路隧道以每年单洞300km的速度递增.随着隧道数量的不断增加，人们对隧道质量的关注度也不断提高.对于隧道质量检测的一些传统方法不仅检测的速度慢、检测手段不健全而且还对隧道的施工造成一定的破坏，已经不能满足人们的需要.探地雷达它因具有无损、连续、高准确率的特点而成为检测隧道质量问题的最主要的工具之一[1]，在工程检测领发挥域着越来越大的作用.

1 工作原理

探地雷达(GPR)是一种利用电磁波勘探的技术，频率一般在5～3000MHz，它是利用地下物体和介质的介电常数等因素的差异，会对电磁波产生不同反射，工作人员则依据相应软件对采集到的数据处理后的雷达图像来判断地下异常物体，如图1所示.

2 检测项目

利用探地雷达检测铁路、公路隧道的内容主要包括:判断衬砌层内部的密实性及是否存在脱空等缺陷、衬砌层内部的钢筋，钢格栅的分布状况、隧道衬砌层的厚度是否符合设计要求.

脱空及不密实区的形成是由于超挖或坍方，施工人员没有按规范认真做好回填或注浆工作[4]，造成初期支护与围岩之间存在较大范围的空隙，或二次衬砌浇筑原因使拱部或拱腰出现局部脱空现象，或是由于混凝土振捣不密实原因所致.由于不密实或存在空洞，形成积水空间，使隧道出现渗漏水，不能很好发挥围的弹性抗力作用.由于空气、混凝土、水的介电常数存在较大差异，在不密实区就会存在几个界面对电磁波反射.雷达界面会出现反射强烈、混乱、较分散的反射条带状异常[2]，并且在空洞处会出现双层界面，如图2所示.对钢筋及钢格栅的检测，是隧道质量检测的重要组成部分，所以使得通过雷达图像判定钢筋的分布成为我们工作的重点之一.因为混凝土和钢筋及钢格栅在介电常数方面存在较大的差异，所以钢格栅对雷达波的反射和混凝土相比较更加明显，它会对雷达波产生连续的、强烈的、点形状的反射图像(图3).在使用探地雷达对隧道进行无损的质量检测时，随着设备的移动钢筋对雷达波的反射呈现在雷达剖面上会是清晰的抛物线，我们可以以此作为检测钢筋的基础[3]，如图4所示.

图1

图2

图3

图4 抛物线形成过程

3 工程实例

(1)天线的选择

频率低的天线，分辨率相对较低，能量衰减慢，但穿透力较强，频率高的天线则相反，所以根据不同的现场情况及检测对象采用合适的天线进行检测[5].从分辨率、稳定性和穿透力三方面综合考虑，目前在隧道质量的检测中被广泛使用的雷达天线是900MHz天线，它的精度较高，能够较好的判断衬砌厚度，钢筋分布及缺陷.

(2)测线布置

在隧道的衬砌质量检测中，雷达测线应以纵向布线为主，横向布线为辅，为了更好的了解本次检测项目，在拱顶、拱底、左右拱脚及边强共布置7条侧线.如图5所示.

(3)数据处理

对于本次检测数据的处理工作主要使用RANDAN 7软件进行，具体所做的数据处理工作可总结如下:

图5

图6

图7 图像对比

(1)距离归一化

当使用探地雷达进行不间断的探测时，因为存在不可避免的干扰因素，就很难使雷达天线的移动达到理想状态，这就会对每米扫描线数产生影响，所以这就需要在使用软件对数据的处理时根据选择每米扫描数，进行相应的增加或删减一些扫描线，使得测线内的扫描线均匀.具体的操作为设置水平方向参数选择:

home→window→properties→Header，标记 unites/mark，scans/unit→Processes→Adjust Scans→Distance Normalization→标记Apply to user Marks为True→选择OK.

(2)添加里程信息

表1 厚度检测结果

表2 钢筋检测

Home→tables→profiles→start Dist(m)→输入起始里程.若桩号从大到小，需要勾选Home→tables→profiles→Dist decrem(m).

(3)水平刻度调

Processing→adjust→scans→horizontal Scaling.

(4)调整增益

Processing→Gain→range gain→gain type→选择automatic，#of points设置其值选择OK.range gain→gain type→选择 Exponential，设置值选择OK.

(5)水平滤波

Processing→filters→FIR，FIRFilters→horizontal→type→选择stacking，Length，设置其值.选择Processing→filters→FIR，FIR Filters→horizontal→type→选择BKGR REMOVAL→Length，设置其值.

(6)垂直滤波

Home→Display→Transfer→spectrum，显示剖面频谱.

Processing→ filters→ Filters→ Vertical→ High Pass，设置高通滤波参数，参数的选择最小值为中心频率的1/4.

(7)交互式解释

完成资料编辑和处理后，选择Home→Window→interactive→Road Scan，选项PickType选择Layer，选项 Focus选择 Layer1，选项 Pick Polarity选择Positive，选项 Search Width设置为9，选项 Display Gain设置为20，选择Single Point，最后标点.

(8)利用电子表格Excel绘制地质图件

(9)处理结果

4 图像判定

5 分析结论

(1)东沟隧道检测发现脱空1处，如图6所示.

(2)检测段个别位置二衬厚度小于设计要求，如表1所示.

(3)拱顶(A)、拱腰(B、E)位置多处钢筋间距过大，大于设计要求，如图7图像对比及表2所示.

[1]曾昭发，刘四新.探地雷达方法原理及应用[M].北京:科学出版社，2006.

[2]王磊，徐峰.地质雷达在隧道检测中的应用[J].科技创新导报，2008(8).