地质雷达检测技术在隧道工程审计中的应用
卢卫东
【摘要】 地质雷达在工程检测中具有广泛用途，是无损质量检测的重要设备，本文介绍了地质雷达在工程检测中的一些特点和运用，并分析了其在工程实践中的技术应用。
【关键词】 地质雷达 工程检测 技术应用
Abstract： Geological radar is widely used in the field of engineering detection， it is an important equipment for nondestructive quality detection. This paper illustrates some characteristics and applications of geological radar in the engineering detection and analyzes technical applications in the engineering practice.
Keywords： geological radar， engineering detection， technical application.
一、地质雷达介绍
地质雷达，亦称探地雷达，是一种通过辐射电磁波探测目标体的无损探测设备，一般包括雷达主机、发射接收天线、电缆线等部分。地质雷达发射天线向目标体发射特定频率的电磁波，电磁波在介质中行进，若遇到物体界面两侧的相对介电常数不同，比如岩体软硬交界面，空洞界面等，电磁波就会发生反射并被接收天线接收到，对接收到的信号进行分析，从而达到对目标体的获知[1-2]。相对介电常数是一个很重要的概念，无量纲，以符号εr表示，它是反映地下介质电性的一个重要参数。相对介电常数不同的两种物质的分界面，会引起电磁波的反射，这是地质雷达得以探测目标体的物理基础。空气的相对介电常数值为1，水的相对介电常数值为81，大部分岩石和土的相对介电常数在4～10之间[3]。雷达进行探测前，首要做的工作就是标定目标体的实际介电常数值。地质雷达的发射天线能发射不同频率的电磁波出去。电磁波频率高，对目标体识别的分辨率就高，但探测深度较浅；电磁波频率低，识别分辨率就低，但探测深度较大。要根据目标体的特点合理选择天线的中心频率，雷达天线主要有100MHz、200MHz、400MHz、900MHz、1500MHz等。每种中心频率的天线都是设计有一定频段带宽的，这样只需要少量几种中心频率的雷达天线就可以基本满足各类检测需要。目前市面上常用的地质雷达设备有美国劳雷公司SIR系列，中国电波传播研究所LTD系列以及瑞典MALA系列。地质雷达可应用于工程的施工过程检测、病害缺陷检测、交（竣）工检测、定期检查等，地质雷达一般属于测线范围内检测，只能反映测线一定范围附近的检测情况。探测时应根据目标体的特点和目的，制定合理的检测方案。地质雷达分辨率有纵向分辨率和横向分辨率两种，实际应用中较为关心的是雷达纵向分辨率。纵向分辨率就是雷达在天线发射电磁波的方向上（一般指垂直方向）能够“看清楚”目标体的最小尺寸，横向分辨率就是雷达在天线横向移动方向上（一般指水平方向）能够“看清楚”目标体的最小尺寸。天线的中心频率和带宽是两个重要参数，根据相关公式计算出的纵向分辨率理论上能得到λ/8大小（λ指电磁波波长），但考虑到探测环境复杂的实际情况及误差，纵向分辨率一般取λ/4[3]。地质雷达采集的数据，用厂家提供的专业雷达软件进行后期处理工作。尽管目前雷达后期处理数据软件功能已经很丰富了，但雷达数据应该重视现场采集阶段，如果采集阶段的数据不理想，后期再怎么处理都难以达到好的效果。处理雷达数据应遵循“简单和真实”的原则，避免过度加工数据，数据处理手段越复杂，越花哨，越有可能引入人为的干扰和意图。在处理数据时，要做到“理解和一致规则”的对待数据，尊重在现场实际客观采集到的目标体信息。
二、地质雷达在工程建设中的应用
2.1地质雷达在隧道检测中的应用
地质雷达在隧道检测中用途多样，可用于隧道超前地质预报，探测掌子面前方围岩情况，也可用于隧道初支和二衬的质量检测及仰拱探测。
地质雷达进行地质预报一般可探测到范围0～40m区段，通常采用100MHz中心频率的屏蔽天线。雷达分辨围岩异常目标体精度很高，可探测出掌子面前方围岩的节理裂隙带，破碎带或空洞，是目前地质预报工作中必不可少的探测设备。采集数据时候，雷达一般采用点测模式，信号通常要做合理的数字叠加，这样可以得到较稳定的信号。采用点测模式一般比时间模式探测距离要远，但时间模式要比点测模式信息量丰富。在隧道真实的环境中，掌子面围岩都是凹凸不平的，屏蔽天线有个特点就是尽量要密贴岩体或者目标体，才能采集到较好的信号，天线点测挪动的距离控制在10cm以内，测线可根据掌子面实际情况布置，必要时加密测线。
图1是广西灰岩地区某座隧道掌子面采用地质雷达探测的点测模式剖面图，图中圆圈标示的是溶洞区域。围岩原设计等级Ⅲ级，掌子面围岩较完整、较平顺，节理也不发育。但在探测图中的掌子面左侧400～620ns区段，雷达反射波出現频率增大，振幅增强，波形杂乱，揭示围岩破碎，节理裂隙发育。后开挖验证发现，在左侧发育有一较大型溶洞，充填有碎石和黏土。溶洞一般雷达波反射界面会有弧形绕射的明显特征，但充填有物质的溶洞，弧形被削弱，且伴有大范围的震荡，类似于溶蚀破碎带特征。
隧道初支和二衬检测是施工期间检测项目。初期支护一般采用900MHz或更高频率的天线，检测喷射混凝土厚度、密实性、脱空及背后空洞情况。二衬采用400HMz或900MHz天线检测厚度、脱空或空洞情况。
图2是某隧道二衬检测中拱腰部位测线的一段雷达剖面图，采用900MHz天线，围岩设计等级Ⅲ级，二衬设计厚度35cm。25cm标尺深度的层面是二衬混凝土自由表面，80cm附近标尺深度的弯曲层面是二衬和初支的分界层面，二衬介电常数现场标定值为7.6。该段隧道Ⅲ级围岩由于光面爆破超挖控制情况有好有坏，检测出的厚度变化差异较大，但都能满足质量规范要求。初支二衬由于设计的衬砌类型不同，比如有些初支含有钢支撑或不含钢支撑，有些二衬含有单层或双层钢筋等，检测工况亦会有不同，要具体环境具体分析。
2.2地质雷达在港口码头检测中的应用
港口码头经过长期运营使用后，需要探明软弱地层对既有结构的影响，地质雷达探测是有效的手段，类似于路基路面的探测，只是深度范围要求更大。软弱地层的介电性与周围地层存在差异，会产生较明显的电磁波反射。港口码头由于要探测较大深度，电磁波亦衰减得更大，一般采用100MHz或200MHz天线探测。100MHz天线在介电常数值取7的情况下1/4波长大小是0.283米，大于等于这个厚度的层一般在剖面图片上能识别出层厚。对于更细薄的层，雷达也是有反射特征的，能找出大概的位置，只是厚度难以划出。
2.3地质雷达在路基路面检测中的应用
路面厚度是验收中的重要指标，地质雷达可以进行路面厚度的识别，在检测中可以降低费用成本，提高工作效率及路面评价的整体范围，优势较为明显。路面为层状结构，各层间的材料具有一定的介电性差异，正常路面结构层雷达图像一般大致呈水平方向延展，资料处理中要进行水平滤波处理，水平滤波能滤掉水平状的随机干扰信号，突出显示路面反射层状。雷达采集路面数据时，有一些气候上的条件限制，不要在下雨和路面较湿润的时候采集，要保证路面是干的。图3为某高速公路沥青路面的厚度检测，路面设计总厚度18cm，使用中国电波传播研究所LTD-2200型地质雷达，天线是1500MHz喇叭式空气耦合天线，离路面45cm左右高度。在几处路面钻孔标定沥青介电常数为5.8，这样沥青层电磁波波速为0.1246m/ns。
图3所示，位于0.10m标尺深度范围的是沥青顶层界面，位于0.28m标尺深度附近的层是沥青层的下界面。测得沥青层厚度集中在18～20cm范围。实测厚度与抽取的几个钻孔芯样实际厚度相符合。市政道路路基路面病害检测是目前地质雷达应用较为成熟的一个领域。路基路面的主要病害形式是脱空、疏松和沉陷等，探测路基土一般采用400MHz或200MHz天线。400MHz天线时主机选择50ns左右窗口长度，探测深度一般在1～3m，探测时要仔细规划好测线布置。为了加快检测进度，可以制作一个检测小拖车用来放置400MHz天线，挂在汽车尾部拉着前进，天线盒子底面距路面10cm左右为宜，可避免磨损天线设备。
图4是某市政道路的雷达探测剖面图。0.25m标尺深度是路面顶面，1m标尺左右区域，雷达反射波能量和振幅都增强，雷达波频率变低，波形紊乱，表明路面下方这一区域路基松散，局部区域沉陷，这是市政路常见的病害情况。
结语：地质雷达属于精密探测设备，目前行业内还没有专门的计量单位进行各项参数的标定认证，使用单位要做的就是多做比对试验和设备定期维护保养，确保雷达处于正确的工作状态。随着国家交通工程领域逐步推广和实施“品质工程”建设，相信地质雷达无损检测技术今后将会具有更广阔的应用空间。
参 考 文 献
[1] 刘志刚，凌宏亿，俞文生.隧道隧洞超前地质预报[M].北京：人民交通出版社，2011.
[2] 薄会申.铁路隧道衬砌质量检测与评价 地质雷达技术实用手册[M].北京：地质出版社，2006.
[3] 杨峰，张全升，王鹏越等. 公路路基地质雷达探测技术研究[M].北京：人民交通出版社，2009.
[4] 陈建勋 主编. 公路工程试验检测人员考试用书 隧道（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2012.
[5] 工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工業出版社，2007.
