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地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

发表时间：2021/4/20 来源：《基层建设》2020年第32期作者：赵佳星张磊

[导读] 摘要：高速公路的发展在最近几年开始突飞猛进，在施工过程中经常使用地质雷达技术来检测工程质量，因为它在施工过程中可以启到实时监控，及时发现病害，从而做到提前预防病害的发生和病害位置的确定，提高施工质量。

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        摘要：高速公路的发展在最近几年开始突飞猛进，在施工过程中经常使用地质雷达技术来检测工程质量，因为它在施工过程中可以启到实时监控，及时发现病害，从而做到提前预防病害的发生和病害位置的确定，提高施工质量。在隧道工程里使用地质雷达技术可以清楚地了解围岩、衬砌之间的情况，通过对隧道不同深度的扫描可以获得清晰图像进而确保工程顺利进行。
        关键词：地质雷达；公路隧道；衬砌检测；应用
        引言
        公路建设施工中，隧道施工地质复杂，施工难度大，设计方案的先天不足，给施工留下质量通病和安全隐患。特别是已建成运营的隧道，有不少隧道存在各种各样的质量缺陷，严重威胁着人们的生命和财产安全。地质雷达法无损、高效、高分辨率，快速采集分析图像等优势，能够准确找出隧道存在的质量问题，便于及时对隐患进行处理，为交通建设带来了技术支持。
        1.地质雷达检测原理
        地质雷达系统利用天线向地下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、透射和折射反射回的电磁波被与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并且通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像，当雷达两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大。
        2.SIR4000 地质雷达的优点及国内外占比情况
        SIR4000地质雷达在A/D转换方面采用24位输出数据格式，接收能力更加强大。SIR4000 地质雷达主机采用实时数据采集，系统的扫描速率更高，在同样的采样点前提下，采集点越多，扫描线的分辨率越高。SIR4000 共有采集点 16384 个。SIR4000 的采集速度更快。叠加次数可反映仪器的去噪能力，叠加次数越大，去噪能力越强，信号质量越好。SIR4000 系统叠加次数为64000次。SIR4000地质雷达采用GSSI厂家专门研发的地质雷达后处理软件，比第三方软件更具有针对性的处理效果，且软件有中文版本，方便国内用户使用。美国 GSSI 厂家的天线频域最广，频率选择最多，可满足一机多用的要求，用户可根据需要，搭配使用不同频率的天线以完成不同工程的需要。SIR4000 地质雷达在产品性能和应用领域方面都有独特的优势，在国内外拥有广泛的用户群体，受到了用户的一致好评。在全球地质雷达销售市场中，SIR4000 销量超过 6000 套，占 70%以上，其中在国内销售 1500 余套，市场占有率65%，是目前国内外公认的最具口碑的地质雷达。
        3.影响地质雷达数据准确性的因素
        隧道内存在预埋管件等钢构件的位置也会对检测造成干扰。所以后续数据处理时，必须根据现场记录，找出施工预埋的钢构件和位置里程，正确识别隧道衬砌内部真实存在的缺陷异常和预埋管引起的假异常。举例来说，雷达天线在检测拱顶时，经常会遇到接触网预留滑槽，使图像产生异常反应，但这不能被判定为缺陷。所以在缺陷识别中排除干扰数据尤为关键。
        4.地质雷达在隧道衬砌无损检测中存在的主要问题
        4.1隧道衬砌中电磁波传播速度问题
        电磁波的传播速度需进行多次校准和复核，电磁速度值的准确度直接影响衬砌厚度的检测精度。目前在检测隧道衬砌厚度的实践中，通常需要对多处选定段落进行扫描探测后，进行取芯测量厚度，以选取段落之间的厚度平均值作为标定值来确定电磁波的速度。
        4.2衬砌钢筋多次反射的影响
        由于钢筋类介电常数比衬砌混凝土较大，反差明显。地质雷达电磁波遇到钢筋会发生多次反射，信号较强，经多次反射容易产生杂波影响检测人员的解析和误判。
        5.地质雷达在某公路隧道衬砌检测中的应用
        5.1隧道衬砌围岩情况雷达探测分析
        某公路隧道采用400MHz天线探测，探测深度达2.5m，长度 8m；某处的拱顶深度约 1.8m 以上，长度约 2.4m 存在裂隙带并有富水区，如图 5 所示。其中右侧波形图明显有异常存在，位于1.8~2.5m 两端波幅较大，正负波峰变化较大，该区域存在围岩节理、积水区。

5.2隧道衬砌缺陷情况雷达探测分析
某公路隧道某段落拱顶层间脱空缺陷为例，处置前后对比分析结果为：（1）从反射信号来分析：处置前，在雷达扫描彩图中衬砌之间存在多层反射且红色、黄色信号表征明显如图 8 所示，，该段落存在层间脱空；处置后，针对脱空区域进行选点打孔注浆，多层反射信号明显变弱，注浆效果明显，如图 9所示，该段落处置良好。

        5.3数据处理
        在本工程具体的数据统计过程中，数据处理采用SIR4000型探地雷达系统的RADAN6.5软件，根据收集和掌握的设计、勘察、施工等资料进行数据分析。其主要处理步骤如下：（1）头文件的处理：查看检测的头文件中的参数设置是否正确；（2）数据预处理：主要是对于数据的合并、切除，测线的归一化处理、直达波的拾取；（3）干扰波处理：先通过一定的数字滤波方法过滤掉干扰波，然后经反褶积突出异常信号，使异常波形更接近于异常体征
        6.提高地质雷达探测精度的措施
        在运动状态下进行检测时，由于人为因素以及检测时设备天线的贴合度、检测台车的颠簸、检测前雷达主机的参数调试等因素的影响，对检测的数据精度会造成误差。具体分析可以得出如下结论：
        6.1隧道内隧底积水等有其他对电磁波产生干扰的物质会大大降低雷达天线探测深度和分辨率，因此在检测过程中应尽量避开或将这些物质清除后再进行检测。避免这些物质对我们采集雷达信号的干扰，这样可以很好的减少在后期处理数据和出具检测报告中的误差。
        6.2检测数据的好坏主要取决于现场检测。有些隧道里程识别不清或里程识别未经测量复核，在检测过程中本身隧道内视线不好，从而造成误差较大，因此现场需要专业测量人员进行精确测量后标定，以保证现场采集的数据真实有效。这一点对判断隧道内的施工缺陷的位置至关重要。
        6.3天线的倾斜会导致检测结果与真实情况存在偏差，检测人员在手扶天线的过程中，可能会遇到行走路线上的障碍物或长时间的工作无法保持正确姿势，从而使天线不能始终与测线方向保持平行，而产生一定的角度，从而直接影响雷达检测数据。
        结束语
        SIR4000 地质雷达对隧道的探测，做到了不伤害现有结构，有快速、直观、精准、分辨率高等特点，施工时能快速的使用地质雷达检测出隧道施工中的缺陷，及时的整改，避免重大安全质量隐患，以便隧道验收时顺利通过。尽管如此，SIR4000 地质雷达对双层钢筋结构的探测还不是很准确，以后应研究地质雷达对双层钢筋结构探测的准确性，避免钢筋间的反射造成判别误差，确保使用地质雷达法对隧道检测达到更高的精度，为铁路交通运营安全保驾护航。
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