地质雷达在公路工程检测中的应用及管理研究

王 征，解应军

（陕西交控工程技术有限公司，陕西 西安）

近年来，我国公路工程建设速度不断加快，对建设质量要求也越来越高，公路工程检测技术也随之得到快速提升。地质雷达检测技术作为一种高效、快捷的无损检测技术得到了广泛的应用[1]。对地质雷达检测技术在公路工程中的应用进行重点分析，并总结出用于常规检测的现场检测要点和数据处理主要流程，为地质雷达的实际应用提供参考。

1 地质雷达工作原理

地质雷达是由主机、天线等部件组成，探测工程结构物内部密实程度或地下埋藏物等问题的设备。基本原理是由发射天线发射一个电磁波，电磁波在介质中传播并被各类介质反射，然后由接收天线接收，如图1 所示。在遇到介质分界面或是地下异常体时，由于介电常数的差异，反射强弱及波形上会出现明显差异，许多道反射波组合起来，形成一个雷达剖面[2]。

图1 地质雷达基本工作原理

2 与常规钻芯法比较

地质雷达法检测对比常规钻芯法检测具有明显的特色优势，具体对比如表1 所示。

表1 地质雷达检测与常规钻芯法检测比较

3 地质雷达在公路工程中的运用

3.1 隧道初期支护和二次衬砌缺陷检测

公路隧道施工过程中，由于超挖处理不当或者初支喷射混凝土施工不当，初期支护背后会形成空洞或不密实缺陷；在初期支护与二次衬砌间有土工布和防水板层，如果初期支护表面平整度较差，防水板不能与其紧密贴合，则易造成脱空现象；如果二次衬砌施工中泵送混凝土施工不当则容易形成空洞，特别是在每板板缝的拱顶部位。一般情况下，通过搭配900 MHz 屏蔽天线可实现对上述缺陷的有效探测。

3.2 隧道二次衬砌厚度检测

二次衬砌厚度检测是隧道质量评定的重要项目，主要判断二次衬砌厚度是否满足设计要求，规范规定90%的检查点厚度≥设计厚度，且最小厚度≥0.5 倍的设计厚度。在地质雷达检测二衬厚度时要特别注意对待检衬砌介电常数的标定以及数据处理过程中对二次衬砌底部界面的准确识别。一般情况下，通过搭配900 MHz 屏蔽天线对二次衬砌厚度进行检测。

3.3 隧道超前地质预报

通过地质雷达对隧道掌子面前方发射电磁波信号进行检测，可以提前预知前方地质条件，探测诸如空洞、岩溶、裂隙、含水带等对施工不利因素。目前常用的布线方式有两横两竖或一横三竖，布线原则为尽可能接近掌子面轴心部位，并加长测线、多采数据。一般采用搭配100 MHz 的屏蔽天线，可实现对前方15 m范围内的地质条件进行探测。

3.4 公路路基密实性检测

在前期施工过程中路基填埋不密实，或者在后期运营过程中在连续的车辆荷载作用下，夹杂着自然条件因素，路基中会存在暗穴、空洞、不密实等缺陷。利用地质雷达搭配400 MHz、270 MHz 等型号天线可对不同深度范围的路基缺陷进行探测。

3.5 公路路面厚度检测

与传统的钻芯法或者挖坑检查法相比，地质雷达检测可以通过车载空气耦合天线实现对路面厚度的长距离连续快速测量。其检测原理是道路面层与基层界面处出现介电常数的变化，电磁波传播过程中会出现反射，可以通过在雷达图像波形图中识别单道波变化从而分辨出面层与基层的界面，从而得到路面厚度。一般情况下，通过搭配1 500 MHz 或1 000 MHz空藕天线可以对路面进行有效检测。

3.6 结构物中构件检测

在有钢拱架的隧道初期支护检测中，钢拱架的布置间距必须符合设计要求，是重要的检测项目，通过雷达检测可以有效检测出所检段落的钢拱架分布情况，从而防止钢拱架施工不规范；隧道钢筋混凝土二次衬砌、边坡抗滑桩等结构物的钢筋网布设是影响其质量的重要方面，通过雷达检测可以判定是否存在偷筋少筋等违规作业情况；此外通过雷达检测还可以在无损情况下检测工程中管道、线缆等预埋物实际排布情况。一般情况下，通过搭配900 MHz 屏蔽天线即可实现对1 m 范围内结构物的探测。

4 地质雷达基本使用

4.1 常用天线选型

针对所要检测的目标体，应结合探测深度、目标体性质、检测环境等因素搭配合适的天线型号，这样才能实现更有效检测。天线选择应注意主频越高则探测深度越浅，垂向分辨率越高；主频越低则探测深度越深，垂向分辨率越低。

4.2 现场检测

现场数据的有效采集是地质雷达检测的关键环节，需要对现场准备、仪器操作等方面都进行重点关注。现场准备主要包括提前进行桩号准确标记、确定检测测线位置、提前移除检测段落障碍物等方面，其中标记一般为在左右边墙上每逢桩号整5 m 或者整10 m 处做一个。仪器操作方面主要注意标定位置合理选取、波速及介电常数标定值的准确计算、检测参数的合理选取等方面。常规的现场检测要点如图2 所示。

图2 现场检测要点

4.3 数据处理

地质雷达数据的有效处理对结果分析具有重要影响，因此需要十分重视处理参数的选择及对有效处理流程的掌握。地质雷达数据常规的处理流程包括标记梳理、删除废道、校正零点、距离归一化、滤波和背景消除、调节增益等主要方面，如图3 所示。但是在实际数据处理过程中，要注意根据雷达图谱的实际响应对一些操作进行多次分析修正，以达到更好的数据处理效果[3]。

图3 数据处理主要流程

4.4 缺陷记录

以隧道二次衬砌检测为例，地质雷达检测结果缺陷主要为空洞、脱空。缺陷记录描述需要满足以下三个方面：一是要满足溯源性，即通过记录可准确确定缺陷位置；二是对缺陷类型描述要准确，缺陷严重程度要尽可能量化；三是对衬砌结构评定或缺陷修复起到数据支撑作用。针对上述第一点，在病害缺陷记录时应包含合同段、隧道名称、左右线、缺陷段落、测线位置、测线高度等信息；针对上述第二点和第三点，记录时应包含缺陷类型、缺陷长度、缺陷深度值等信息，具体缺陷深度值采用A/B/C 数据形式，其中A 为二次衬砌厚度设计值，B 为地质雷达实测衬砌临空面至出现缺陷位置衬砌厚度值，C 为缺陷自身的深度值。通过对A、B、C 三个数值的分析可以对衬砌结构评定或缺陷修复起到数据支撑作用，具体数据分析如表2 所示。建议衬砌缺陷记录描述形式示例如表3 所示。

表2 衬砌缺陷深度值数据分析

表3 衬砌缺陷记录示例

4.5 典型构件和缺陷图像展示

4.5.1 典型构件雷达图像

公路隧道中常见的典型构件包括钢拱架、钢筋网、管线预留通道等，如图4 所示。

图4 典型构件雷达图像

4.5.2 典型缺陷雷达图像

公路隧道中常见的典型缺陷包括空洞、脱空、衬砌厚度不足等，如图5 所示。

图5 典型缺陷雷达图像

5 雷达校准管理

地质雷达溯源主要采用校准和比对试验的形式进行。目前地质雷达校准主要依据规范《公路断面探伤及结构层厚度探地雷达》（JT/T 940-2014），该规范要求对10 cm 厚度以上采用地面耦合天线时的深度测试误差需小于等于10%，对10 cm 厚度以下采用地面耦合天线时的深度测试误差需小于等于10 mm。由于当前可以校准地质雷达的计量单位较少，且校准费用较高，因此采用比对试验的方式也是一种较好的选择。

本文建议一种比对试验方式以供参考讨论，主要通过采用已完成检定的5 m 钢卷尺和地质雷达分别对模拟块固定位置厚度进行检测，对检测结果进行分析比对。首先依据规范《公路断面探伤及结构层厚度探地雷达》（JT/T 940-2014），对地质雷达检测结果的合格性进行判定，在合格的基础上，依据《化学实验室内部质量控制 比对试验》（RT/T 208-2016），对进行比对的地质雷达检测结果先采用F 检验，在两次检验数据精密度无显著差异的情况下按t 检验法对比对试验结果进行评价。若t≤tα，n1+n2-2，测定结果与标准值之间无显著性差异，表明比对试验结果满意；若t＞tα，n1+n2-2，测定结果与标准值之间有显著性差异，表明比对试验结果不满意。

结束语

地质雷达检测技术因其安全无损、高速快捷、连续采集的特点，在公路工程中得到了广泛应用。但是目前仍然存在诸多局限因素，如检测结果定性多于定量、钢筋混凝土衬砌后方钢拱架难以识别、初期支护厚度难以判定、数据的多维分析利用还需提高、现场经验足且理论水平高的雷达检测人员较少等。因此还需要对地质雷达检测技术进行更深入的研究，以更大化的促进公路工程质量检测的发展。