地质雷达在隧道质量检测中的影响因素研究

■试验研究　翘　２０１５生　地质雷达在隧道质量检测中的影响因素研究　徐赞　，黄生文　，周浩　，刘丹　（１．湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳４１３０００；２．长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙４１００７６）　摘要地质雷达检测技术是一项工程无损检测技术，广泛应用于公路、桥梁、隧道的质量检测中。地质雷达　具有操作便捷、时间短、范围广、连续检测等优点。由于地质雷达的发展和应用时间不长，在隧道质量实际检测中还　存在检测误差、地质雷达的图像解译精度等问题。结合隧道质量检测实际情况，对隧道质量检测中的问题进行了归　纳，通过分析隧道质量检测中的误差，提高地质雷达检测精度和准确性。　关键词地质雷达；隧道质量；影响因素　随着我国经济的不断发展，我国的工程建设也与时俱　进。隧道工程是保障公路、铁路、水利等工程正常运营的重要　电磁反射波与介电常数的函数有关，同时地质雷达图像的解　译、分析和反演都与介质的介电性能紧密相关［５１。岩土体介电　特性分析与研究是地质雷达发展的主要因素。　介质的介电常数是媒介物质的极化特性，主要表现为处　于电场中的介质具有存储电荷的能力。试验证明，极化强度Ｐ　设施，隧道施工质量直接影响到将来公路、铁路运营是否通　畅。隧道的质量问题是困扰公路、铁路快速发展的一个关键　因素［Ｉｌ。　运用地质雷达在进行隧道质量检测时，媒介物质为衬砌　混凝土和隧道围岩，当衬砌与围岩之间存在质量问题（如蜂　是电场强度Ｅ的函数，对于各向同性介质，其关系为：　ｐ＝ｘ　ｓ０Ｅ　（１）　窝、不密实等），隧道衬砌的不密实与密实相比电性差异增大，　反射波信号变化增强，反而当其完整致密时，混凝土性质均　匀一致时，反射波变化较小口。可从地质雷达波形记录图像直　式中：８。为真空的介电常数，Ｘ　为介质的电极化率，它是　与Ｅ无关的常数。　由Ｄ＝￡０＋Ｐ＝（１＋ｘ　ｓ０Ｅ＝８ｌｓ０Ｅ＝ｅＥ，可得　８Ｉ：１＋Ｘ　（２）　观地判断分析隧道衬砌内部病害的具体情况，同时根据具体　的探测深度、分辨率的要求，选取相对应频率的天线，地质雷　达可在隧道衬砌表面检测，灵活快捷方便，可以进行大面积　的检测，并且能重复测试。　其中：８称为介质的介电常数，￡０称为介质的相对介电常　数，它表示电介质中的场强使电通量密度发生改变的程度。表　ｌ为地质雷达进行隧道质量检测中部分电介质介电常数表。　表１部分电介质介电常数表　１地质雷达检测原理　地质雷达法（Ｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｒａｄａｒ简称ＧＰＲ）是利用　电磁波在媒介物质电磁特性不连续处产生的反射和散射现　象，进而定性或者定量地辨识媒介物中电磁特性的变化，通　过电磁波回波的波形、振幅和频率等变化特征，来分析和推　断介质结构和物性特征，获得对媒介物表层下目标的探测。　工作时发射与接收天线以均匀的速度沿测线方向移动，通过　接受雷达信号得到介质的雷达图像［３１。　地质雷达在工程检测和地质探测中，地下媒介物的电磁　特性影响地质雷达探测的准确性。媒质的介电常数会影响电　磁波的传播速度，媒介物的导电率对电磁波造成一定量损　耗，一般情况不考虑对波速的影响　。　由于地质雷达通过介电常数的差异来判别隧道病害情　况，当介电常数差异较大时电磁波的波形变化较明显，及时发　隧道质量存在的问题。介电常数对地质雷达的检测主要有　两个方面影响。　２地质雷达的主要影响因素　２．１介电常数对地质雷达在隧道质量检测中的影响　隧道中的岩土体材料与混凝土材料介电常数的差异是　地质雷达进行隧道质量检测的前提条件。地质雷达接收到的　（１）介电常数的变化会对地质雷达天线接收到反射波的　・４・　■试验研究　翘　化。但是计算衬砌混凝土的厚度时，通常取固定的一个速度　值；界面判识的准确度取决于界面明显程度，干扰波的大小　和判识者的经验。　２．４空洞或脱空、不密实等回填松散区深度范围误差　采用地质雷达进行衬砌质量检测时，从接收天线直接收　到的回波信号，是一个很复杂的时域波形，但是由于目前硬　件和软件技术水平的，不能直接从原始波形中区分出衬　砌界面、松散区和空洞等界面的反射回波、衬砌背后的空洞，　回填松散区及裂缝中一般含有空气或水，反射信号越明显。　２．５里程定位误差　隧道质量检测时里程标记的记录间距一般为５ｍ，检测　速度由检测目标体的大小及检测衬砌表面的平整度决定。该　方面的误差主要来源于里程标记的精度，隧道路面状况和检　测车速度的不均匀，由于里程标记之间的里程位置是均匀内　插得出的，如果检测车运行速度不均匀，则内插的里程误差　较大。　３地质雷达在隧道质量检测中的误差来源　地质雷达检测的精确度能满足设计规定的要求，这是隧　道工程中的重点问题。由于地质雷达进行隧道质量检测的环　境十分复杂，存在很多未知的因素，如参数设置、介质的介电　常数、工作频率、电磁波的散射等因素都影响着地质雷达的　检测结果。因此，正确的操作、合理的使用、综合全面的分析　能最大程度减少误差。　隧道衬砌质量检测时，除仪器本身的系统误差外，现场　检测和室内分析时，其它的一些因素和环节也会产生误差。　在应用地质雷达进行现场检测时，可能带来误差的主要环节　有：仪器参数设置、隧道里程标记、检测作业车速度控制、衬　砌表面的乎整度及障碍物情况、天线与衬砌表面的接触效果　等。室内数据处理时，需要确定反射界面的回波、衬砌表面零　点和介质的介电常数，能否正确地确定这些参数，会直接影　响探测的精确性。室内分析时可能带来误差的主要环节有：　原始数据文件编辑、数据均衡、滤波、人工判读、结果输出等。　４减小地质雷达检测隧道质量误差的方法　隧道工程检测时间较短，并且隧道环境极为复杂，只有　通过自己不断的实践和经验积累，并且认真总结每次检测过　程和分析数据结果，才能有效地提高检测精度。基于上述的　误差来源，采用以下五种解决方法：　（１）测线位置应该布置在较平整的衬砌表面，以确保天线　贴壁。地质雷达检测尽管可以做到连续扫描，但每次所检测　的面积有限，仅有２０～３０ｃｍ　。隧道检测的面积每次很小，为　能够更加全面探测隧道衬砌混凝土的质量，在病害多的部位　检测时，应布设多条测线。　（２）里程标记之间的距离是经内插计算，为此，应尽量控　制检测的速度，保持匀速前进，减小里程内插计算误差。　・６・　２０１５生　（３）根据隧道环境的实际情况，结合现场施工过程，选定　较为合适的雷达波速。有针对性对各不相同地段进行现场的　波速标定，用以确定的波速计算衬砌厚度，进一步提高检测　数据的准确性和精确度。钻孔取样点的选择，应该是在探测　图像清晰并且有代表性的地段，这样可选择出最为合适的雷　达波速，尽可能减少误差。隧道衬砌厚度检测的计算是根据　两个数据：①雷达反射波接受时问；②雷达波在混凝土中的传　播速度。依据目前地质雷达的发展水平，反射波接受时间的　检测精度可达到Ｏ．Ｏ００１ｎｓ，完全可以达到检测要求。　（４）处理室内数据时，针对有干扰源的地段，选择不同种　有针对性的数据来处理抑制干扰信号，使雷达图像清晰可　见，能准确反映检测物体的真实情况。　（５）认真做好隧道表面裂缝、渗漏水等病害的观测记录，　并且及时向上级部门汇报，根据隧道的设计和施工资料，帮　助图像的判释。　５结论　为了提高地质雷达在隧道质量检测中的精确度，减少检　测中的误差。为此，本文进行了研究，得到了下列结论：　（１）地质雷达接收到的反射波与介电常数的函数有关，　介电常数的变化会对天线接收到反射波的时间产生影响，介　电常数的变化会引起地质雷达接收的电磁波变化。　（２）地质雷达参数的选择直接影响检测结果的准确度和　精确度。影响检测结果的因素包括衬砌厚度计算的误差，空　洞或回填松散区范围解译的误差，里程准确定位的误差等。　（３）分析地质雷达在隧道质量检测中的误差来源，针对　具体误差来源，提出相关的误差解决方法。　参考文献　【１Ｊ罗方．地质雷达在隧道健康诊断中的应用【『】．长安大学学　报（自然科学版），２００６，２６￣）：５１－５４．　『２郭有劲．地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用卟　２ｌ铁道工程学报，２００２，７４（２）：７１—７４．　『引刘传孝，蒋金泉，杨永杰．地质雷达应用于探测拱桥空洞的　效果验－ｉＺｌＪ］．岩土力学，２００１，２２（１）：１０６—１０８．　【４】陈洪凯，李明．公路隧道健康诊断与控制综述Ｕ】．重庆交通　学院学报，２００６，２５（４）：４—７．　【５】席道瑛，宛新林，薛彦伟，等．用地质雷达寻找宋代钧窑遗址　Ⅲ．岩石力学与工程学报，２００４，２３（１）：１１２—１１５．　基金项目：湖南城市学院校级科研课题（２０１４ＸＪ１６），项　目主持人，徐赞。　作者简介：徐赞（１９８９一），男，湖南益阳人，汉族，硕士学　位，助教，研究方向为隧道工程。