地质雷达检测隧道衬砌混凝土缺陷法浅析

地质雷达检测隧道衬砌混凝土缺陷法浅析

作者：坚锐锋

来源：《科技视界》2014年第16期

【摘 要】地质雷达检测因其高效、无损、定位快速准确的特点，所以广泛应用于隧道衬砌混凝土的质量缺陷检测。本文结合隧道衬砌施工质量的地质雷达检测，从数据采集、处理和分析三方面入手，对提高数据采集质量，处理效果和缺陷的特征进行分析浅析。 【关键词】地质雷达；隧道衬砌；无损检测；缺陷特征 0 前言

随着我国经济和交通事业的迅速发展，公路铁路隧道的数量也在逐年增加，同时在运营过程中暴露出来的隧道病害也在增多。这就需要一种高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速的检测方法来适应这种发展，使隧道病害能够提前得到治理。地质雷达检测方法可以对隧道衬砌混凝土厚度、密实性、空洞等进行快速检测，它不仅克服了只靠目测和打孔抽查来对隧道质量进行不全面检测的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率、能快速、高效的进行无损检测的方法，在隧道工程质量检测中得到广泛的应用。虽然地质雷达在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用，但是由于高频电磁波在介质中的高衰减性，使得该方法的应用受到一定的限制。地质雷达的检测效果不仅与地质雷达本身的技术有关，还与较多影响因素相关，因而使得实际工程中很多检测效果并没有达到预期的目的。因此，有必要分析影响地质雷达技术检测效果的主要因素，解决地质雷达在隧道检测中的相关技术问题，以便进一步提高检测水平。

1 地质雷达检测原理

当雷达系统利用天线向介质发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。 2 检测设备及数据采集方法 2.1 检测设备选择

地质雷达不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大，但是分辨率会降低；频率越高，探测深度越浅，分辨率会提高。在隧道内检测，需采用屏蔽天线，不同的天线选择将直接影响检测结果的判定。衬砌缺陷检测时，可采用1000MHz天线或800MHz天线。

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2.2 数据采集方法

在地质雷达测线通常按拱顶、左右拱腰和左右边墙各一条，共5条测线布置，测线走向为隧道的径向方向。拱顶和拱腰部位的测线可以使用装载机焊接工作台架人工托举雷达天线的方法进行检测，但须保证行使平稳，不晃动。边墙部位的测线采用工人在衬砌表面拖动天线对混凝土衬砌质量进行检测。在数据采集之前，要每间隔5米或10米的距离用明显的标记标明隧道里程数，要保证清晰可见。采集拱顶和拱腰位置的数据时，其操作平台至少要能够容纳3人，有足够的活动空间。负责举天线的工人要保证天线在衬砌表面平稳前进，不要倾斜，天线表面要紧贴衬砌表面；检测时当天线经过标记里程时，要有一名技术人员负责通报给检测工程师，以便在数据上进行标记。测量拱顶和拱腰位置时，工作人员和天线都要用安全带或绳索与周边物体进行固定，防止工人高空作业时发生危险和天线滑落摔坏。检测时仪器附近不得有无线电信号干扰（如对讲机、正在通话的手机信号），必须保证地面平坦，无影响车辆通行的障碍物。

3 雷达数据分析处理 3.1 数据分析处理步骤

雷达波在地下的传播过程中各种噪声和杂波的干扰非常严重，正确识别各种杂波与噪声、提取其有用信息是探地雷达记录解释的重要的环节，其关键技术是对地质雷达记录进行各种数据处理。电磁波的传播形式与地震波十分相似，而且数据剖面也类似于反射地震数据剖面 ，因此反射地震数据处理的许多有效技术均可用于地质雷达的数据处理，但由于雷达波和地震波存在着动力学差异，如强衰减性，雷达波在湿的地层中衰减比在干的情况下要大，而地震波却恰好相反；地质雷达的穿透深度比地震波要浅得多。所以单一地移植、借鉴地震资料处理技术是不够的。 通常我们得到的雷达数据是原始数据，为了更容易的识别目标体和得到更清晰的反射信号，还需要对雷达原始数据进行进一步的后处理。以瑞典MALA公司的Ground Vision采集处理软件为例，简要说明数据处理的过程。通常需要采用的滤波器有下面几种： （1）DC removal：通常每道波形的振幅都存在一个常量的偏移，我们称之为直流偏移。这个滤波器将在数据中去除DC部分，每道波形的DC都将被单独的计算和去除掉； （2）Automatic gain control（AGC）：自动增益控制能够调整每道波形的增益，主要通过调整时间窗口内的平均振幅来实现；

（3）Band Pass：带通滤波器主要是在数据中去除不想要的频率，在低取舍点和高取舍点区间之外的频率成份都将被削弱；

（4）Subtract Mean Trace：这个滤波器通过减去一个所有道波形的平均值来在雷达图像上消除水平或近似水平的特征；

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（5）Running Average：这个滤波器通过对激活采样窗口内全部采样的平均值来替换每个采样值，这使雷达图像看起来更加平滑；

（6）Background Removal：它的作用与Subtract mean trace一样，也是做水平滤波。 3.2 分析处理效果实例

以某隧道衬砌背后空洞为例，从未加任何滤波的原始数据开始，逐一使用上面的六种滤波器，按照⑴→⑵→⑶→⑷→⑸→⑹的顺序进行处理。

经过6步滤波处理后，可以清晰的看到衬砌空洞顶部反射界面和空洞底部反射界面，经计算得到混凝土厚度及空洞厚度值。雷达检测空洞值与实际钻孔测量值对比，见表1。 表1 雷达检测值与钻孔量测值对比表

对雷达数据滤波处理后，雷达测量空洞深度值与实际量测值偏差1cm，雷达检测衬砌质量满足要求。

4 衬砌缺陷典型图像

把衬砌典型缺陷图像作为标准图像，可以更好地确认检测时的衬砌质量缺陷。以下为雷达检测数据处理后的典型缺陷图： 5 结语

地质雷达检测隧道混凝土衬砌层缺陷法是一种先进的无损检测技术，与人工取芯相比，地质雷达检测采集的数据量大，更加客观准确、经济、方便、快捷，采用地质雷达无损检测，可以将施工中存在的各种质量隐患排除在隧道建设施工阶段。随着该项技术的推广，从野外数据采集到后期数据分析处理水平不断地提高和完善，地质雷达检测技术将会在隧道工程质量检测领域具有广阔的发展空间。 [责任编辑：孙珊珊]