公路隧道质量无损检测的GPR技术应用

2019-10-19张华为邹俊华

魅力中国 2019年30期

张华为邹俊华

（1.湖南金君工程科技有限公司，湖南长沙 410205；2.湖南致力工程科技有限公司，湖南长沙 410205）

一、工程概况

在隧道支护施工中由于各种复杂原因，往往造成在支护内存在众多问题，容易出现隧道衬砌裂缝、渗水、衬砌混凝土厚度不够、强度不足，以及衬砌背后脱空、回填不密实，钢筋网缺失等质量问题。本文主要通过介绍无损检测的GPR技术的理论基础，并采用专门的地质雷达检测仪器进行检测工作，以达到准确掌握、了解各种典型的隧道质量情况，及时发现隧道工程中存在的质量问题，消除工程质量隐患。

二、探地雷达检测的基本原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)也称作地质雷达，是一种利用地下介质对广谱电磁波的不同响应来确定地下介质分布特征的地球物理技术。探测时，探地雷达由发射天线向隧道实体发射某一中心频率附近的高频、宽带的短脉冲电磁波。电磁波在隧道实体介质中传播时，其振幅、相位和频率等波形特征会随介质的特性、几何形状等变化而变化，经隧道实体或目标体反射而返回表面，被另一天线R所接收。探地雷达接收天线则记录下反射回表面的电磁波，通过分析所穿过介质的相关信息，以确定隧道实体的厚度、衬砌钢筋、衬砌空洞等质量状况或存在的质量缺陷分布。

三、现场数据采集

（一）检测设备

现场检测仪器设备采用的是美国地球物理勘探公司（GSSI）推出的新一代探地雷达系统（SIR-3000型探地雷达），该系统具有多通道、多天线、扫描快、低噪声等优点，既可以连续测量，也可以点测。天线配置主要从分辨率、穿透力、稳定性三个方面综合衡量，通常选用400MHz和900MHz的屏蔽天线。

（二）测线布置方式

本次试验检测采用拱顶、左右拱腰、左右边墙5条纵向测线，对于问题比较集中的地方，加密布线或者横向布设测线，检测测线断面布置示意图见图1。纵向布置测线的优越性：可连续检测，防止遗漏，检测覆盖范围广，检测效率高。

图1 地质雷达测线布置图

（三）相对介电常数的标定

介电常数是一个无量纲物理量，它表征一种物质在外加电场情况下，储存极化电荷的能力。自然界中物质的介电常数最大的物质是水，介电常数为81，最小的是空气，数值为1。工程状态下的岩土介质，其介电常数的主要差异决定于含水量的大小。

在已知埋地目标体的厚度h，假设雷达位于目标体正上方时测量的双程行进时间为t。，然后将雷达移至目标体水平距离x处测量双程行进时间t1，则隧道衬砌的波速为

从而可以得到隧道衬砌的相对介电常数ε0为

（四）天线中心频率选择

在保证分辨率且场地条件允可时，尽量使用中心频率低的天线。天线的中心频率可由下式确定：

式中，x为空间分辨率。在一般公路隧道质量检测中，通常选用中心频率为400MHz和900MHz的屏蔽天线。

（五）扫描时窗选择

扫描时窗的选取既不能选得太小以防丢掉重要数据，也不能选得太大降低垂向分辨率。一般选取探测深度h为目标深度的1.5倍。根据探测深度h和介电常数ε，可确定下式估算采样时窗长度（Range）：

（六）其他参数的选择

扫描样点数：1024sample/scan；增益方式：一般取5点自动增益方式；采集方式：连续剖面测量；采样频率：15倍的天线中心频率。

四、数据的处理

探地雷达资料处理的主要任务是，利用雷达探测的基本原理及电磁波在介质中的传播规律和数字信号处理的方法在计算机上对采集的雷达数据进行有效处理，得到记录中与隧道结构信息的位置、形态、结构和大小等有关的信息，为后期的反演解释提供依据。数据处理的主要目的是通过背景去噪、滤波、偏移、反褶积等等相关手段抑制随机干扰和有规律的干扰，最大限度提高探地雷达的分辨能力，提取电磁反射波的各种有用参数，来解释不同介质的物理特征，进而实现对雷达信号特征的识别。将野外测量数据采用专业处理分析系统进行资料处理、分析和解释正是基于上述方法得以实现。

五、实例分析

衬砌内的钢筋或钢格栅对隧道薄弱或重要部位的质量非常关键，起着不可忽略的加固作用，其配筋的质量直接影响结构稳定。本文采用GPR技术对某公路工程隧道的拱顶、左右拱腰、左右边墙5条纵向测线共约37km进行连续扫描。通过以上处理手段，采用追踪回波在横向和纵向上的延续和变化，对连续扫描采集的数据进行分析处理，得到雷达图像，清晰地分析各种雷达波组的特征(如相位、波幅、波形、频率等)，展现出目标体在平面和剖面上的形态。具体检测结果见表1、2。