探地雷达波形特征及在隧道质量检测中的应用.docx

          探地雷达波形特征及在隧道质量检测中的应用                    摘要：探地雷达ＧＰＲ是一种新型的无损检测仪器，是一种利用高频电磁波探测结构工程质量的无损检测方法该方法可根据探测的波形记录直接分析混凝土内部缺陷的分布和形态，对隐蔽工程的施工质量具有可视性；可根据探测深度、分辨率的要求选用不同频率的天线；可在结构物表面进行，灵活性较好，在同一部位可进行多次重复测试关键词：雷达波形特征；隧道质量检测；应用；探地雷达检测隧道的方法和传统的检测方法相比，具有高效率、高采样率、无损连续检测等优点探地雷达用于隧道的检测主要为初期支护和衬砌的检测，通过雷达波分析可发现混凝土内部存在的空洞、不密实等质量缺陷，通过专用软件处理，还可得出衬砌混凝土的层厚数据1探地雷达系统组成及波形特征国内外各种型号的探地雷达组成基本一样，主要包括发射机、接收机、天线、分离器、信号处理机和成像显示设备等，探地雷达系统将高频（100～1000MHz或更高）电磁波以宽频带脉冲形式由发射天线向被探测物发射，该雷达脉冲在被探测物质中传播遇到不同电性介质交界面时，部分雷达波的能量被反射回来，由接收天线接收。

电磁波在传播过程中，其路径、电磁场强度与波形随所通过介质的电性质及几何形态的变化而产生不同程度的变化根据反射波信号的时延、形状及频谱特性等参数，可以解译出目标深度、介质结构及性质在数据处理的基础上，应用数字图像的恢复与重建技术，对探测目标进行成像处理，以期达到对探测目标真实和直观的再现探地雷达的发射天线和接收天线以固定的距离沿测线移动，记录点位于两天线中心，雷达图形在各点上均沿测线的铅垂方向以脉冲反射波的波形形式记录，构成雷达剖面探地雷达发射的电磁波在介质中传播时会随传播距离的增加而发生衰减，因此在对采集数据分析时，首先要对电磁波信号进行增益处理，将其损失的能量补上，不同介质的介电常数存在一定的差异，当电磁波在不同介质中传播时，会在其界面发生反射和入射现象，介质的介电常数差异越大，反射越强烈，探地雷达正是利用这一原理进行质量缺陷或目标体进行探测．空气的介电常数为1，混凝土的介电常数约为8～10，水的介电常数为81，金属的介电常数为无穷大，电磁波与金属发生全反射，以上4种物质在工程中最常用，其介电常数差异也较大，正好满足探地雷达探测目标的要求，因此，探地雷达非常适用于混凝土隐蔽工程缺陷探测。

隧道质量检测通常包括初期支护及衬砌混凝土的厚度及空洞等检测指标当隧道混凝土局部存在空洞或不密实时，电磁波在从混凝土进入空气时，由于两种介质介电常数相差很大，会在界面发生强烈反射，通增益和抽取平均道处理空洞部位会在叠加波形图上突显出来，间波幅较大的部分为电磁波在空气中的传播图像2在隧道质量检测中的应用1.探地雷达隧道检测数据采集探地雷达存在多种频率天线，天线频率越高，其探测深度越深，而相应分辨率越低，所以隧道检测需根据检测内容选择合适频率的天线探地雷达，配套天线为900MHz、400MHz通常情况下现场采集数据时参数设定包括采集模式、时间窗口、扫描样点数、每秒扫描数、增益方式、增益点数、增益大小、滤波等内容数据采集前需做好波速标定，距离采集时还需做好测距轮标定隧道初支检测时采用900MHz天线，二衬可选用400MHz天线，采集模式为距离采集时窗根据初支厚度确定，一般选取检测深度的1.5倍扫描样点数尽量选取较大值，但采集数据时耗时也较大每秒扫描数选取可尽量大些，但受仪器及扫描样点数限制增益方式可先采用自动增益，然后以检测目标清晰为原则手动调整增益点数根据时窗大小选取，时窗短时选2～3点增益，时窗长时选4～6即可。

增益大小的调节是使多数反射信号强度达到满度的60%～70%，增益太大将造成信号削顶，增益太小将丢失弱小信号滤波分为垂向滤波和水平滤波垂向滤波高通频率选取为天线频率的1/6，低通频率选取为天线频率的2倍，水平平滑可取3～5道叠加2.探地雷达隧道检测检测数据采集之后通过后续时间零点、距离归一化、滤波、增益、迁移、速度分析、层位追踪和厚度导出等处理步骤，不同的检测目的选用的处理方式不同，突出的波形、信号成分也不同工字钢型钢拱架信号主要为伞形强反射信号，伞形分散清晰，对深部信号影响大，初支与围岩之间信号振幅较弱，且波形同相轴齐整连续，未出现畸形情况，表明分层界面密实无缺陷隧道二次衬砌根据围岩级别不同而不同，对于围岩级为I、II级、III偏强整体性良好、自稳能力强的围岩通常为素混凝土衬砌结构，初支及二衬多不加筋，衬砌界面与围岩分层界面较清晰，未出现强反射信号波形，混凝土与围岩贴合较好，雷达检测中，围岩与混凝土电性差异越大则分层界面越清晰，如出现两者电性差异基本相同的情况，可通过滤波配合局部增益、相位追踪来判断分层界面衬砌存在脱空缺陷，空气与混凝土和围岩的波阻抗差异非常大，反射波信号强烈且正反相间，振相突出，对于下部信号影响较大，两组信号时程差较大，脱空区断续蜿蜒，位置清晰明显，极易辨别。

对于V、IV级及软弱破碎带整体性差、自稳能力弱的围岩通常于初期支护中加入工字钢和格栅钢作为拱架支撑，后期二衬中也会加入钢筋网增加二衬安全储备，如图3所示，雷达剖面图中钢筋的波形信号多形成清晰的反射弧，表现为连续的小双曲线形强反射信号，反射波向与表面反射波同相该图中二衬存在三角形空洞，隧道中此类空洞较为常见，尤其在两板二衬施工接缝处衬砌空洞因钢筋影响，尤其在钢筋网布置较密集的二衬中对于小空洞、轻微脱空及欠密实较难判断，可通过扫描数、迁移及数字滤波、变换等方式综合处理，必要时也可以钻孔验证对于欠密实及轻微脱空缺陷，雷达信号波形同相轴呈绕射弧形，信号强烈且分散不连续，反射波中还存在一些多次波成分，多次波持续时间越长，脱空越严重空洞及脱空缺陷波形反射波特别强，多次波很叠加较多，电磁波在空洞中多次反射，接受到的反射波持续时间长，且反射振相与表面反射相反，主要是因为电磁波是从低速介质进入高速介质，而在表面是从高速介质进入低速介质欠密实波形松杂乱反射较多，波形不连续，分散3.隧道无损检测工作主要检测二衬厚度、钢筋间距、拱架间距、二次衬砌与初期支护间是否存在脱空、初期支护背后是否存在空洞二次衬砌厚度可以通过二次衬砌追层分析来确定；钢筋由于未受到拱架、空洞反射波形的影响，也易准确判定；拱架间距及空洞判定常会因二次衬砌钢筋反射波的屏蔽受到影响。

为便于分析隧道主要组成部分的判定特征，特将隧道衬砌状况划分为3种，第一种工况为初期支护内无拱架且二次衬砌内无钢筋；第二种工况为初期支护内有拱架而二次衬砌内无钢筋；第三种工况为初期支护内有拱架且二次衬砌内有钢筋探地雷达对混凝土背后的空洞和不密实情况判断比较准确，当电磁波在从砼进入到空气中时会发生强烈反射，这一点在雷达图像上比较明显，比较容易识别探地雷达对隧道隐蔽工程质量进行检测，具有无损、可靠、高效和费用低等特点，其应用于隧道质量检测的方法是可行的当隧道衬砌施工质量非常好时，衬砌与初期支护的界面在图像上不是很清楚，当衬砌与界面存在脱空时，界面会常明显参考文献：［1］杜世回．基于稳定性概念的铁路隧道围岩分级研究［J］．铁道标准设计，2016（9）：77-80．［2］李霄凯，童正洪．高速铁路隧道地质雷达法检测技术［J］．铁道标准设计，2018（2）：88-91，106．［3］郭有劲．地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用［J］．铁道工程学报，2016（2）：71-74．  -全文完-。