公路隧道質(zhì)量無損檢測(cè)的GPR技術(shù)應(yīng)用

張華為 鄒俊華

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

一、工程概況

在隧道支護(hù)施工中由于各種復(fù)雜原因，往往造成在支護(hù)內(nèi)存在眾多問題，容易出現(xiàn)隧道襯砌裂縫、滲水、襯砌混凝土厚度不夠、強(qiáng)度不足，以及襯砌背后脫空、回填不密實(shí)，鋼筋網(wǎng)缺失等質(zhì)量問題。本文主要通過介紹無損檢測(cè)的GPR技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并采用專門的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)工作，以達(dá)到準(zhǔn)確掌握、了解各種典型的隧道質(zhì)量情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道工程中存在的質(zhì)量問題，消除工程質(zhì)量隱患。

二、探地雷達(dá)檢測(cè)的基本原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)也稱作地質(zhì)雷達(dá)，是一種利用地下介質(zhì)對(duì)廣譜電磁波的不同響應(yīng)來確定地下介質(zhì)分布特征的地球物理技術(shù)。探測(cè)時(shí)，探地雷達(dá)由發(fā)射天線向隧道實(shí)體發(fā)射某一中心頻率附近的高頻、寬帶的短脈沖電磁波。電磁波在隧道實(shí)體介質(zhì)中傳播時(shí)，其振幅、相位和頻率等波形特征會(huì)隨介質(zhì)的特性、幾何形狀等變化而變化，經(jīng)隧道實(shí)體或目標(biāo)體反射而返回表面，被另一天線R所接收。探地雷達(dá)接收天線則記錄下反射回表面的電磁波，通過分析所穿過介質(zhì)的相關(guān)信息，以確定隧道實(shí)體的厚度、襯砌鋼筋、襯砌空洞等質(zhì)量狀況或存在的質(zhì)量缺陷分布。

三、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

（一）檢測(cè)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器設(shè)備采用的是美國地球物理勘探公司（GSSI）推出的新一代探地雷達(dá)系統(tǒng)（SIR-3000型探地雷達(dá)），該系統(tǒng)具有多通道、多天線、掃描快、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，既可以連續(xù)測(cè)量，也可以點(diǎn)測(cè)。天線配置主要從分辨率、穿透力、穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合衡量，通常選用400MHz和900MHz的屏蔽天線。

（二）測(cè)線布置方式

本次試驗(yàn)檢測(cè)采用拱頂、左右拱腰、左右邊墻5條縱向測(cè)線，對(duì)于問題比較集中的地方，加密布線或者橫向布設(shè)測(cè)線，檢測(cè)測(cè)線斷面布置示意圖見圖1?？v向布置測(cè)線的優(yōu)越性：可連續(xù)檢測(cè)，防止遺漏，檢測(cè)覆蓋范圍廣，檢測(cè)效率高。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

（三）相對(duì)介電常數(shù)的標(biāo)定

介電常數(shù)是一個(gè)無量綱物理量，它表征一種物質(zhì)在外加電場(chǎng)情況下，儲(chǔ)存極化電荷的能力。自然界中物質(zhì)的介電常數(shù)最大的物質(zhì)是水，介電常數(shù)為81，最小的是空氣，數(shù)值為1。工程狀態(tài)下的巖土介質(zhì)，其介電常數(shù)的主要差異決定于含水量的大小。

在已知埋地目標(biāo)體的厚度h，假設(shè)雷達(dá)位于目標(biāo)體正上方時(shí)測(cè)量的雙程行進(jìn)時(shí)間為t。，然后將雷達(dá)移至目標(biāo)體水平距離x處測(cè)量雙程行進(jìn)時(shí)間t1，則隧道襯砌的波速為

從而可以得到隧道襯砌的相對(duì)介電常數(shù)ε0為

（四）天線中心頻率選擇

在保證分辨率且場(chǎng)地條件允可時(shí)，盡量使用中心頻率低的天線。天線的中心頻率可由下式確定：

式中，x為空間分辨率。在一般公路隧道質(zhì)量檢測(cè)中，通常選用中心頻率為400MHz和900MHz的屏蔽天線。

（五）掃描時(shí)窗選擇

掃描時(shí)窗的選取既不能選得太小以防丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測(cè)深度h為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測(cè)深度h和介電常數(shù)ε，可確定下式估算采樣時(shí)窗長(zhǎng)度（Range）：

（六）其他參數(shù)的選擇

掃描樣點(diǎn)數(shù)：1024sample/scan；增益方式：一般取5點(diǎn)自動(dòng)增益方式；采集方式：連續(xù)剖面測(cè)量；采樣頻率：15倍的天線中心頻率。

四、數(shù)據(jù)的處理

探地雷達(dá)資料處理的主要任務(wù)是，利用雷達(dá)探測(cè)的基本原理及電磁波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律和數(shù)字信號(hào)處理的方法在計(jì)算機(jī)上對(duì)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，得到記錄中與隧道結(jié)構(gòu)信息的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和大小等有關(guān)的信息，為后期的反演解釋提供依據(jù)。數(shù)據(jù)處理的主要目的是通過背景去噪、濾波、偏移、反褶積等等相關(guān)手段抑制隨機(jī)干擾和有規(guī)律的干擾，最大限度提高探地雷達(dá)的分辨能力，提取電磁反射波的各種有用參數(shù)，來解釋不同介質(zhì)的物理特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)特征的識(shí)別。將野外測(cè)量數(shù)據(jù)采用專業(yè)處理分析系統(tǒng)進(jìn)行資料處理、分析和解釋正是基于上述方法得以實(shí)現(xiàn)。

五、實(shí)例分析

襯砌內(nèi)的鋼筋或鋼格柵對(duì)隧道薄弱或重要部位的質(zhì)量非常關(guān)鍵，起著不可忽略的加固作用，其配筋的質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本文采用GPR技術(shù)對(duì)某公路工程隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻5條縱向測(cè)線共約37km進(jìn)行連續(xù)掃描。通過以上處理手段，采用追蹤回波在橫向和縱向上的延續(xù)和變化，對(duì)連續(xù)掃描采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到雷達(dá)圖像，清晰地分析各種雷達(dá)波組的特征(如相位、波幅、波形、頻率等)，展現(xiàn)出目標(biāo)體在平面和剖面上的形態(tài)。具體檢測(cè)結(jié)果見表1、2。

表1 二次襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果一覽表

表2 二次襯砌背部空洞及缺陷檢測(cè)結(jié)果一覽表

圖5-1 隧道二襯YK15+078～YK15+074 拱頂 空洞

圖5-2 隧道二襯YK15+360～YK15+372 拱頂 保護(hù)層偏薄

附圖5-3 隧道二襯YK15+760～YK15+820左邊墻（僅YK15+770～YK15+780存在鋼筋）

六、結(jié)論

采用無損檢測(cè)的GPR技術(shù)對(duì)公路工程隧道進(jìn)行了全方位掃描，全面檢測(cè)了隧道存在的質(zhì)量，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)檢測(cè)存在的脫空、鋼筋保護(hù)層偏薄、無鋼筋信號(hào)處進(jìn)行了鉆芯確認(rèn)，驗(yàn)證了GPR技術(shù)在檢測(cè)出質(zhì)量缺陷的準(zhǔn)確性。對(duì)工程質(zhì)量的監(jiān)管力度得到提高，同時(shí)也督促參建單位提高質(zhì)量意識(shí)，提高公路工程建設(shè)的質(zhì)量水平和投資效益。