【摘要】探地雷達(dá)作為礦山法隧道的一種高效無損的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，在地鐵礦山法隧道檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。通過預(yù)制混凝土標(biāo)準(zhǔn)塊模擬礦山法隧道襯砌形態(tài)來研究探地雷達(dá)的檢測(cè)精度已得到廣泛認(rèn)可。本文采用GSSI公司900 MHz、1.5 GHz天線對(duì)礦山法隧道不同工況下的標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析，研究不同頻率天線對(duì)不同襯砌形態(tài)的適用性及檢測(cè)精度。

【關(guān)鍵詞】混凝土標(biāo)準(zhǔn)塊；礦山法隧道；天線；檢測(cè)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(jì)以來，城市軌道建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，隨著地鐵建設(shè)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(duì)山體及周圍環(huán)境的影響，在地質(zhì)較復(fù)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(zhì)量意識(shí)較差等因素，襯砌可能會(huì)產(chǎn)生空洞、不密實(shí)等質(zhì)量缺陷，影響礦山法隧道施工質(zhì)量，嚴(yán)重的將影響后期地鐵運(yùn)營(yíng)安全。因此，對(duì)于施工過程中礦山法隧道質(zhì)量的檢測(cè)顯得尤為必要。

礦山法隧道質(zhì)量檢測(cè)常用的方法包括破損法和無損檢測(cè)方法。破損法采用鉆孔取芯方法檢測(cè)，該方法雖然具有直觀性，但一方面對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)具有破壞性，另一方面只能反映所取襯砌部位的質(zhì)量，不能全面反映襯砌的施工質(zhì)量，因此不能全面評(píng)估隧道的施工質(zhì)量。作為無損檢測(cè)方法代表的探地雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)，采用連續(xù)掃描，能夠獲得襯砌內(nèi)部質(zhì)量的連續(xù)結(jié)果，是一種快速、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，具有檢測(cè)結(jié)果直觀，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成較大長(zhǎng)度的隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因此在礦山法隧道施工中該檢測(cè)技術(shù)得到廣泛的運(yùn)用。

在探地雷達(dá)檢測(cè)理論研究方面，國(guó)內(nèi)開展的研究相較于國(guó)外起步較晚，主要研究集中在對(duì)雷達(dá)的數(shù)值模型模擬以及信號(hào)的處理研究等方面。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)塊代替實(shí)體進(jìn)行研究方面，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者研究了該方法的可行性，模擬試件的檢測(cè)精度與實(shí)際基本吻合。

1探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)通過發(fā)射天線向被測(cè)物體內(nèi)發(fā)射電磁波，電磁波向被測(cè)內(nèi)部物體傳播，當(dāng)遇到不同相對(duì)介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)，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(duì)其進(jìn)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(cè)物體內(nèi)的缺陷性質(zhì)、位置和大小。

2試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證不同頻率天線所適用的混凝土結(jié)構(gòu)厚度，本文根據(jù)南京地鐵礦山法隧道二次襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)參數(shù)及常見隧道結(jié)構(gòu)缺陷，制作兩種不同的混凝土標(biāo)準(zhǔn)塊，并采用兩種不同頻率天線進(jìn)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(cè)精度，從而能夠更為合理的選擇天線頻率。

3試驗(yàn)儀器設(shè)備及對(duì)象

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

結(jié)合南京地鐵礦山法隧道二次襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)1#、2#混凝土標(biāo)準(zhǔn)塊，兩塊標(biāo)準(zhǔn)塊厚度、首排鋼筋保護(hù)層厚度及內(nèi)部介質(zhì)均不同。圖1和圖2為2片標(biāo)準(zhǔn)塊的設(shè)計(jì)斷面圖。其中，1#標(biāo)準(zhǔn)塊分布兩層鋼筋；2#標(biāo)準(zhǔn)塊分布兩層鋼筋且布設(shè)鋼邊止水帶和孔洞。

4標(biāo)準(zhǔn)塊相對(duì)介電常數(shù)確定

為消除因選取相對(duì)介電常數(shù)不合適而造成的測(cè)量誤差，在數(shù)據(jù)采集工作開始前，采取現(xiàn)場(chǎng)率定標(biāo)準(zhǔn)塊的方式，確定被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)塊的相對(duì)介電常數(shù)值。

在采用探地雷達(dá)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為突出底界面的反射波，分別在1#、2#標(biāo)準(zhǔn)塊底部粘貼金屬片，采用不同天線對(duì)粘貼金屬片的標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)不同天線采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析，經(jīng)后處理分析得出，1#標(biāo)準(zhǔn)塊雷達(dá)波雙程走時(shí)為9.10 ns，2#標(biāo)準(zhǔn)塊雷達(dá)波雙程走時(shí)12.79 ns。經(jīng)計(jì)算得1#、2#標(biāo)準(zhǔn)塊相對(duì)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(yàn)證不同頻率天線對(duì)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(duì)2片標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)塊所得雷達(dá)灰度圖，圖5、圖6給出了不同頻率天線掃描2#標(biāo)準(zhǔn)塊所得雷達(dá)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(dāng)采用900 MHz、1.5 GHz天線時(shí)，1#標(biāo)準(zhǔn)塊內(nèi)部的雙排鋼筋、標(biāo)準(zhǔn)塊底界面均能較為清晰得出。

由圖5、圖6可見，當(dāng)采用900 MHz頻率天線時(shí)，2#標(biāo)準(zhǔn)塊內(nèi)雙排鋼筋、標(biāo)準(zhǔn)塊底界面均能分析得出；當(dāng)采用1.5 GHz頻率天線時(shí)，通過濾波、反褶積、局部指數(shù)增益等信號(hào)處理手段，可識(shí)別第二排鋼筋，但鋼筋灰度圖像畸變嚴(yán)重，且標(biāo)準(zhǔn)塊底界面無法有效識(shí)別。

由以上分析得出：

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

②礦山法隧道二次襯砌厚度較大，如達(dá)60 cm時(shí)，采用900 MHz頻率天線進(jìn)行檢測(cè)較為合適；

③對(duì)實(shí)際厚度不清楚的二次襯砌進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，宜優(yōu)先采用900 MHz頻率天線對(duì)鋼筋位置及襯砌厚度進(jìn)行摸底，若襯砌厚度在40 cm范圍內(nèi)，可再選擇1.5 GHz頻率天線進(jìn)行檢測(cè)。

2）標(biāo)準(zhǔn)塊雙排雙向鋼筋排距值測(cè)量分析

采用濾波、背景去除、反褶積、區(qū)域增益調(diào)整等數(shù)據(jù)處理方法對(duì)1#、2#標(biāo)準(zhǔn)塊所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并得出不同頻率天線對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)塊采集的鋼筋排距值。表1列出900 MHz、1.5 GHz頻率天線對(duì)于1#和2#標(biāo)準(zhǔn)塊內(nèi)雙排鋼筋排距的雷達(dá)數(shù)據(jù)分析值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的絕對(duì)偏差與相對(duì)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)塊雙排雙向鋼筋時(shí)，1.5 GHz天線精度稍高于900 MHz天線；

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

3）當(dāng)構(gòu)件深度由43 cm增大到60 cm時(shí)，雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)偏差與相對(duì)偏差均增大；

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

6結(jié)論

本文對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)塊所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)試并計(jì)算得到混凝土標(biāo)準(zhǔn)塊的相對(duì)介電常數(shù)，通過對(duì)1#、2#標(biāo)準(zhǔn)塊雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的分析與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于實(shí)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(hào)處理手段分析數(shù)據(jù)；

2）對(duì)于存在超挖現(xiàn)象的礦山法隧道二襯，宜采用900 MHz天線進(jìn)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(shí)別性；

3）對(duì)實(shí)際厚度不清楚的二次襯砌進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，宜優(yōu)先采用900 MHz頻率天線對(duì)鋼筋位置及襯砌厚度進(jìn)行摸底，若襯砌厚度在40 cm范圍內(nèi)，可再選擇1.5 GHz頻率天線進(jìn)行檢測(cè)；

4）隨著鋼筋埋深的增大，鋼筋排距的分析值與實(shí)測(cè)值的誤差逐漸增大。

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【作者簡(jiǎn)介】

沈東美，女，1975年出生，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)檐壍澜煌üこ藤|(zhì)量咨詢與檢測(cè)。

（編輯：謝飛燕）