蔡一超，李曉猛，羅 瑛，施汝軍

1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650011

2.保山公路局，云南 保山 678000

3.云南云嶺公大公路工程有限公司，云南 昆明 650034

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

高頻電磁可以在發(fā)射天線的支持下通過寬帶脈沖形式輸入地下，在不同電性的地下地層或者目標(biāo)反射之后，高頻電磁按照一定路線返回地表，接收天線接收這一信號；接下來，通過對時(shí)域波形采集、處理與分析，判定地下界面或者地質(zhì)體的構(gòu)成情況和位置。在這一過程中，需要通過一個(gè)天線對地發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，并需要另外設(shè)置一個(gè)天線，接收經(jīng)過地下反射和折射后的電磁波、地表直達(dá)的電磁波和干擾電磁波。由此可見，在使用GPR進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測的過程中，需要保證電磁波發(fā)射和接收盡量不受外界干擾，以免影響隧道襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性。

2 GPR在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用方法

2.1 GPR測試方法

在隧道襯砌質(zhì)量檢測中，使用GPR進(jìn)行檢測的方法主要包括環(huán)形法、寬角法、多天線法、剖面法、三維定位法等。其中，三維定位法注重測試對象的三維空間信息獲取，可以增強(qiáng)定位的準(zhǔn)確性，但并未大范圍推廣使用。剖面法是目前最為常用的檢測方法，一般將多次覆蓋技術(shù)與之相結(jié)合應(yīng)用，以強(qiáng)化實(shí)際應(yīng)用效果。這一方法屬于發(fā)射天線與接收天線通過固定間距沿著測線同時(shí)移動的方法。如果發(fā)射天線與接收天線之間距離為零，則二者可以“合二為一”，形成單天線模式，否則為雙天線模式。使用剖面法產(chǎn)生的測試結(jié)果可以通過GPR時(shí)間剖面圖展示，其橫坐標(biāo)表示天線在地表、襯砌面的位置，縱坐標(biāo)代表反射波雙程走勢，可以基于此得出電磁波從發(fā)射到回收的時(shí)間。與此同時(shí)，通過這一記錄方式，可以了解測線下方不同反射界面的形態(tài)。但是，受到地下介質(zhì)對電磁波吸收作用的影響，地下深處界面的反射波信噪比減小，識別難度增加。為了有效解決這一問題，可以采取重復(fù)測試的方法，將測試中相同位置記錄進(jìn)行疊加處理，強(qiáng)化對地下深部介質(zhì)的分辨率。

2.2 信號處理方法

通常情況下，天線接收過程中得到的反射波特征越多，越有利于提高隧道襯砌檢測質(zhì)量，常用寬頻帶進(jìn)行記錄。因此，在對有效波進(jìn)行記錄時(shí)，也摻雜了一些干擾波，從而導(dǎo)致記錄的圖形難以真實(shí)的反映目標(biāo)體實(shí)況。除此以外，地下介質(zhì)可以等同為一個(gè)復(fù)雜的濾波器，當(dāng)電磁脈沖達(dá)到天線位置時(shí)，波的幅度減小，測得的波形并不能精準(zhǔn)的反映原始反射波，因此需要對雷達(dá)接收的信號進(jìn)行處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。具體的處理方法包括去直流漂移、時(shí)間—增益濾波、平均濾波、抽取平均道、帶通濾波、背景去除濾波、自動增益控制等。

2.3 襯砌厚度計(jì)量方法

在使用GPR進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測時(shí)，將電磁波傳播速度作為已知量，然后基于電磁波的發(fā)射與返回時(shí)間，進(jìn)行隧道襯砌厚度計(jì)量，具體的計(jì)算公式如下：

式中：D為測點(diǎn)的襯砌厚度；v為電磁波傳播的速度；t為電磁波發(fā)射到返回的時(shí)間。

經(jīng)試驗(yàn)研究，電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度各有不同，存在物性差異，詳細(xì)情況如表1所示。在實(shí)踐應(yīng)用過程中，可以根據(jù)不同介質(zhì)的物性情況，合理設(shè)置傳播速度。

表1 主要借助介質(zhì)的物性特點(diǎn)

3 GPR在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 案例概況

以云南某高速公路隧道為例，其長度為3.6km，屬于復(fù)合式襯砌模式。通過實(shí)踐研究，該地區(qū)降水量較多，事故發(fā)生率較高，因此對于隧道襯砌方面的質(zhì)量要求較高，必須加強(qiáng)質(zhì)量檢測的精準(zhǔn)性，為相關(guān)策略制訂提供有效支持。

3.2 測線設(shè)置

在使用GPR檢測隧道不同位置的施工質(zhì)量時(shí)，必須保證監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)、全面、精準(zhǔn)，否則將導(dǎo)致檢測工作失去實(shí)效。因此，必須合理進(jìn)行測線設(shè)置，原則如下：（1）不宜過多，否則會增加測試工作量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)繁雜，增加處理難度；（2）不宜過少，否則難以保證數(shù)據(jù)獲取的全面性；（3）合理布置測線，避免其產(chǎn)生交叉的情況?；诖?，對案例工程項(xiàng)目的測線布置如圖1所示。測線位置處于隧道拱頂、左側(cè)拱部、右側(cè)拱部、左側(cè)邊墻、右側(cè)邊墻，共計(jì)5條。

圖1 隧道檢測測線布置

3.3 數(shù)據(jù)采集

在檢測中，為了保證點(diǎn)位精準(zhǔn)，在隧道壁上每隔5m做一個(gè)標(biāo)記，并準(zhǔn)確標(biāo)明里程。當(dāng)天線與某一個(gè)標(biāo)記對準(zhǔn)時(shí)，操作人員向儀器中輸入信號。在雷達(dá)記錄中，每隔5m做一個(gè)小標(biāo)記，在50m或100m的位置做一個(gè)大標(biāo)記。當(dāng)內(nèi)業(yè)進(jìn)行資料整理時(shí)，基于標(biāo)記和記錄的首標(biāo)、末標(biāo)、工作區(qū)間的歷程，在雷達(dá)時(shí)間剖面圖中明確標(biāo)出里程樁的號碼。此次研究中的技術(shù)參數(shù)設(shè)置如表2所示。除此之外，還需要分析數(shù)據(jù)采集過程中的干擾因素，保證測量過程中數(shù)據(jù)采集工作順利開展，減少因干擾帶來的質(zhì)量檢測誤差。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，進(jìn)行檢測結(jié)果校正。

表2 技術(shù)參數(shù)表

3.4 資料處理

將收集的雷達(dá)數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)中，通過專業(yè)的GPR處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如濾波、褶積處理等，從而實(shí)現(xiàn)壓制干擾波、增強(qiáng)信息有效性的目的。在這一過程中，波形處理屬于重點(diǎn)內(nèi)容，具體包括強(qiáng)化有效信號、壓制隨機(jī)噪聲、抑制非異常體雜亂回波、提高圖像分辨率和信噪比等，得出清晰、準(zhǔn)確的雷達(dá)圖像。

3.5 處理結(jié)果

根據(jù)上述的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出案例工程隧道襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果。（1）鋼筋分布檢測結(jié)果。通過對鋼筋檢測結(jié)果進(jìn)行整理和分析可知，這一現(xiàn)象多發(fā)生在使用鋼筋混凝土實(shí)施襯砌支護(hù)的明洞段以及圍巖類別低等的地段。在襯砌中使用的鋼筋導(dǎo)電性較好，可以對雷達(dá)信號產(chǎn)生較強(qiáng)的反射效果?？偨Y(jié)圖像異常的表現(xiàn)可知，具體由多點(diǎn)狀信號亮點(diǎn)構(gòu)成，分布具有規(guī)則性，且處于梳狀模式，每個(gè)亮點(diǎn)分別與一條鋼筋相對應(yīng)。（2）內(nèi)部裂縫檢測結(jié)果。在實(shí)際測試過程中，圍巖與混凝土的介電常數(shù)存在較大差異，可以從圖像上較直觀地辨識二者之間的分界面。在進(jìn)行隧道二襯施工時(shí)，受到多種因素影響，如技術(shù)因素、材料因素、環(huán)境因素、操作因素等，將會產(chǎn)生裂縫，裂縫的數(shù)量、大小、性質(zhì)等皆會影響襯砌的防水和承載能力。通過對案例項(xiàng)目進(jìn)行檢測，隧道左洞拱腰K34+552～K34+558段初砌開裂較為明顯，在存在裂縫的位置GPR反射波層面發(fā)生斷裂，波形規(guī)則性較差，與附近的圖像之間協(xié)調(diào)性較差。（3）混凝土黏結(jié)程度檢測結(jié)果。隧道襯砌施工過程中，引發(fā)混凝土內(nèi)部黏結(jié)密實(shí)性較差的原因較多，具體包括施工工藝、混凝土質(zhì)量等，會對電磁波產(chǎn)生較強(qiáng)的反射效果，但反射并不會出現(xiàn)雙曲線狀態(tài)。通過實(shí)測結(jié)果總結(jié)其特征可知，具體表現(xiàn)在振幅發(fā)生較大變化，相比附近的反射面，振幅增加效果突出，且反射界面存在錯(cuò)段情況，規(guī)則性較差。

4 結(jié)束語

在使用GPR進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測的過程中，應(yīng)根據(jù)檢測對象的實(shí)際情況，合理進(jìn)行測試方法選擇、測試參數(shù)設(shè)置、測線設(shè)計(jì)，并注重?cái)?shù)據(jù)信息采集的全面性、真實(shí)性、有效性，從而為隧道襯砌質(zhì)量檢測提供有力的依據(jù)。與此同時(shí)，還需要注重對檢測結(jié)果的分析，為隧道襯砌施工質(zhì)量提升和具體方案選擇提供有力支持，從而提高隧道襯砌質(zhì)量，減少病害問題發(fā)生。