探地雷达在检测抛石体中的应用（精选6篇）
探地雷达在检测抛石体中的应用
建筑工程质量直接关系到人民群众的切身利益.如何对建筑工程进行监督检验成为工程质量监督部门的一大难题.在军事、航空、地质勘探、考古、市政管线等领域应用较为广泛、成熟的雷达无损检测手段,正以其优越的性能和高精度的分辨率吸引着人们的.目光,逐渐成为建筑无损检测仪器中的首选.
作 者：蒙爱军 方毅 作者单位：浙江省地球物理地球化学勘查院,浙江・杭州,310005刊 名：科协论坛(下半月)英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY ASSOCIATION FORUM年，卷(期)：“”(9)分类号：P2关键词：探地雷达 测试技术 抛石体
1 探地雷达应用原理
1)雷达系统:
路用探地雷达系统由三部分组成:天线、发射机、接收机。探地雷达应用于路面探测时,原理如图1所示,探地雷达系统根据电磁脉冲回波原理而设计。
2)厚度检测原理:
厚度检测是通过得知电磁波在层间传播的时间和速度,来求得结构层厚度的,因此求层面厚度的关键就是要知道电磁波在路面结构中传播的时间和速度,电磁波传播的时间根据雷达图像可以直接看出,速度为:
其中,c为光速;εx为介质介电常数。
反射界面上下层材料的介电常数关系与界面的反射系数R之间存在一定关系,反映在波形上也就是材料介电常数差异越大,界面反射系数越大,反射界面反射波的波幅也就越大。应用波幅即可以求路面各层截面的反射系数:
R=A/Am (2)
其中,A为各界面反射波幅大小;Am为铁板标定反射波幅的大小,所以反射系数代表结构层界面能量与入射波能量的比值。上下层介质之间介电常数之间的关系可以用下式表示:
其中,εx1为上层介质的介电常数;εx2为下层介质的介电常数。
依次类推,求出不同层的介电常数,这样就可得到电磁波在各结构层中的传播速度。由于电磁波在结构层中经过了入射和反射的双向传播,所以上述时间为电磁波的双向走时,结构层厚度为电磁波传播路程的1/2,即:
2 探地雷达路面厚度检测技术参数选择
就雷达路面厚度探测来说,其探测的厚度范围一般不超过30 cm,探测的误差不超过1 cm。影响探地雷达探测深(厚)度、精度及分辨率的技术参数主要包括雷达波的频率、采样频率等。
2.1 天线频率的选择
探地雷达中心频率是影响探测厚度以及分辨率的关键因素,探测频率越高,探测深度越浅,探测的垂直分辨率越高。对于高速公路的层状地层,以Tm表示可分辨的最小层厚度,λ为高频电磁波的波长,则有Tm=0.5λ,由于λ=v/f,其中,v为电磁波的传播速度;f为电磁波的频率,则
2.2 采样频率与时窗
国内外现今的探地雷达,对每一道信号的采集时窗和采样点数s都有限制,合理的设置时窗t和采样点数s是现场采集有效信号的关键。对于空气耦合型观测天线,由于雷达波在空气中的传播速度达30 cm/ns,因此时窗主要由雷达波在面层的双程时决定,一般使用1.2 GHz天线时窗长度采用30 ns。而采样频率过低会导致雷达信号的失真,根据傅立叶采样定理,对于频率为f的信号,要保持信号不失真,采样频率必须大于2f,当探测频率为1.2 GHz时,采样频率必须大于1.5 GHz,取时窗为30 ns,每道的采样点数S>2fts=150,实际上,为了雷达信号滤波等后处理的需要,采样频率需要更高,就SIR-3000型雷达而言,对于1.2 GHz探测频率,每道采样点一般设置为1 024。
2.3 道采样频率与检测速度
雷达在单位时间内能采集的雷达信号道(道采样频率)是有限的,道采样频率也是影响水平分辨率的因素。例如道采样频率S=1 000道/s,观测系统移动速度为100 m/s,则在每米内所能采集的信号道为10道,如果不采用道叠加,则厚度检测点距D=10 cm,如果采用5道叠加技术,则厚度检测点距为50 cm,一般来说,D=S/(v×N),其中,N为叠加道数,由于道采样频率S是有限的,因此在现场检测必须合理的设置观测系统移动速度[5]。
3 实例分析
2008年7月利用SIR-3000型探地雷达对岳阳某市政道路改造路段进行了路面改造层厚度检测。该道路的改造方法是在原有水泥混凝土路面基础上加铺沥青混合料结构层,原有路面为混凝土结构,面层设计厚度为28 cm,改造后加铺了沥青层,沥青层分为两层:上面层和下面层的厚度分别为4 cm和6 cm。检测时采用配套1 200 m耦合天线,时窗为30 ns,道采样点数为1 024。
检测采用了探地雷达检测和钻孔验证的方法。整个改造路面都采用SIR-3000雷达进行检测,各结构层在雷达信号中的相对位置如图2所示。
为了验证探地雷达的检测精度,选取了5个测点钻孔取芯进行验证。
cm
通过探地雷达测得的面层厚度和采用钻孔取芯方法数据列于表1进行对比。
通过表1中的数据对比和图3 GPR与芯样厚度对比可以发现探地雷达应用于面层厚度检测是具有相当精度的,数据结果符合情况良好。
4 结语
通过分析可以看出GPR面层测量值与取芯厚度测量值比较符合,基于探地雷达的比较优势,探地雷达在路面厚度检测中可以代替钻芯取样法,但至今探地雷达在面层检测中未广泛应用是由于探地雷达的应用专业性比较强,对于雷达图像的解释需要相当的雷达应用经验,这些方面都限制探地雷达在检测中的应用。由本文得到的启发有:1)表1中的单点误差,由以上的论述可以看出,是由于仪器误差和人为辨别误差造成的,在参数设置合理和图像分析不失误的情况下,探地雷达用于对路面厚度进行检测,精度可以满足实际要求;2)合理的设置探地雷达的路面厚度检测技术参数是取得良好图像和精度的基础,因此要掌握好探地雷达的使用,需要熟练掌握探地雷达的工作原理和电磁学原理;3)今后探地雷达研究工作应该朝两个方向发展:a.探地雷达系统的进一步开发,提高雷达配置和进行功能扩展;b.加强雷达信号处理方面的研究,提高图像的易辨性,有利于普及应用。
参考文献
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[3]曾昭发,刘四新,刘少华.环境与工程地球物理的新进展[J].地球物理学进展,2003,18(3):455-459.
[4]曾昭发,田钢,丁凯.宽带探地雷达系统研究及在工程检测的应用[J].地球物理学进展,2004,19(3):486-491.
关键词: 探地雷达;非金属管线;探测
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.009
1 前言
由于绍兴市近年来非金属管线特别是塑料管线的大量应用,使用传统的金属管线仪已无法完全满足现有的管线探测需要,所以近年国内引入了地质雷达这项新技术。利用雷达探测管线不仅能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等情况,为施工或管理提供可靠参数,更重要的是对非金属管线的探测提供了有力的技术支持。
2 工作方法原理
地质雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的物探方法。它利用一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收来自介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化(李大心,1994)。接收天线接收返回地面的反射波,将其传入仪器内进行显示和记录,利用资料的后处理便可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。地质雷达的观测方式有两种:一种是宽角法,发射天线固定不动,接收天线沿测线移动并逐点接收来自反射界面的反射回波,则回波走时与天线距之间满足(1)式(图l)
图1 地质雷达工作原理
式中:为发射天线与接收天线之间的距离(m); 为电磁波在地下介质中的传播速度(m/ns);z为反射点到地面的垂向距离(m);t为回波走时(ns)。另一种方式是剖面法,保持发射和接收天线距固定不变,逐步移动装置。对于零天线距的单置式天线而言,即天线距很小且固定时同时激发并接收,则自激自收时间为(图l)(区福邦,1998)
3 应用实例
3.1非金属给水、燃气管道异常的判别
在绍兴市管线普查过程中,所遇到的非金属管道主要包括塑料(PVC)给水管、水泥(砼)给水管、(PVC)燃气管,在以往的管线普查中面对这两种管线经常束手无策。在使用了RAMAC型地质雷达后,有效地解决了这一难题。
图2是水泥(砼)给水管和塑料(PVC)燃气管的地质雷达图像,从图中我们可以发现,其异常效果很明显,反射波组的同相轴都是为向下开口的双曲线,呈伞状。根据异常形态,我们可以确定,双曲线的中心位置即为管线的中心位置。另外,对比这两条管线的异常我们也发现,虽然都是非金属管线,但是它们的异常特征有很大的区别。给水管有明显的多次波,根据反复的试验并结合给水管物理特性和反射波振幅特征我们发现,给水管最上面的异常为其管顶异常,下面两个异常分别为给水管管底反射波和管底二次反射波;燃气管只有一个管顶异常。根据图像我们判断该给水管距起点1.21m,埋深为0.54m左右,燃气管距起点3.18m,埋深为1.01m,经现场开挖验证,给水管线平面误差为0.03m,实际埋深为0.52m,误差仅为0.02m;燃气管平面误差为0.04m,实际埋深为0.97m,误差为4cm。根据波速试验并结合地质雷达图像处理软件判断出给水管和燃气管直径分别为600mm和300mm,结合其他勘测结果,经验证这两个估算还是很准的。
由于地下杂质影响使得有些雷达图像图异常并不很明显,很难准却判断埋深,这就需要结合波形相位来判断反射体。图3是塑料给水管的地质雷达图像,由于地面凹陷和地下杂质影响,使其异常较为杂乱。雷达波由空气到介质和由介质到水波速都是由大变小,由水到介质波速由小变大,因此管顶反射波应和地面反射波相位相同,而管底反射波应该和地面放射波相位相反。从波形首先判断出最上面的是地面反射波,中间振幅最大的波为给水管頂反射波,最下面的振幅最大的波为管底反射波。由程序可读出管顶埋深为0.94m,根据水的波速可计算出给水管直径为300mm,经开挖验证,实际埋深为0.98m,误差为0.04m,管径估算的也很准。
图2 给水管道和燃气管道地质雷达剖面图
图3 给水管道地质雷达剖面图
3.2综合管沟地质雷达异常判别
管沟也是管线普查中常见的一种现象,它主要包括电信的管块和排水的沟渠。由于其形状相近,因此它们有着相似的地电特性,其地质雷达图像也十分接近:同相轴都是有限的平板,界面反射的中部为平板状,两端有绕射现象,表现为半支开口向下的双曲线。图4剖面探测目标为综台管沟。管沟位于马路的人行道下,规格为3500cm×1800cm,顶盖板为0.2m厚预制水泥板.水泥板上为硬化水泥路面.管沟内底存有0.05m左右稀泥水层。地质雷达剖面图上层异常为正向连续同相轴板状体异常,正向同相轴对应内部空间顶界面.按混凝土波速计算界面到地面厚度为0.50m 下部强反射异常及多次波异常对直为薄泥水层.从顶界面同相轴到下层强反射反向同相轴双程走时为11.4ns.按空气波速0.3m/ns计算,管沟净空高为1.71m与实际的1.80m对比,偏高0.09m,这可能是由于封闭空间内水气较大,实际波速略小于0.3m/ns的原故。
图4 综合管沟的地质雷达剖面图
3.3强干扰情况下的塑料管线探测
a,填土不密实的情况下
当目标管线周围是疏松介质时,雷达断面上的波形表现得杂乱无章。目标管线的反射波形基本被掩盖,以致无法对图像正确分析(如图5)。
图5,填土不密实的情况下塑料管线雷达断面图
由图5可以看见在塑料燃气管线处有明显的扰动波形,但是并看不出有平滑的双曲线。我们把平面定在该异常的中心位置即x=2.9m的地方,定深度z=1.2m。后经开挖知道x=2.85m,z=1.4m。而在该位置,当挖到1.0m以后土壤与周围比起来明显疏松、多空隙。由此我们可以看出,在探测开挖敷设且回填土没有压实情况的管线时,得到的雷达断面图像极易让我们在分析图像时发生错误。但却可以利用开挖沟槽中回填土与周围土壤的差异探测出管线的大致位置,然后结合钎探等方法探测出管线深度。
b,地下长条形、椭圆形物体的干扰
有些时候,在我们布设的雷达断面上,目标管线附近有一些能够产生类似管线异常的物体,使我们得出错误的结论。在分析如图6这个断面图时,会将卵石产生的异常定为了燃气管线.结果开挖后才知道实为一长椭圆形卵石。所以在这种情况下,应该在附近的地方重新布设雷达断面,以消除此类物体的影响。
图6,地下椭圆形物体干扰时塑料管线雷达断面图
以上几种情况是我们在使用地质雷达探测管线常碰到的现象,为尽量避免这些情况给我们的探测带来错误,我们就需要在不同的地方多做些雷达断面,以及在情况允许的条件下适当开挖验证。
4 结语
探地雷达方法具有速度快、探测精度高、可获得连续结果等特点,是一项应用十分广泛的近地表地球物理探测技术,其应用领域在不断扩展。但是,要充分发挥这一技术手段的优势和潜力,必须将地质与工程问题的特点与探地雷达技术自身特点结合起来加以考虑,采用合适的工作方法,选择正确的工作参数。本文通过工程实例说明了该方法对探测地下目标体具有良好的效果,弥补了钻探勘探范围小的不足,节约了施工成本,提高了工程进度。
参考文献
1、李大心.1994.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1
2、区福邦.1998.城市地下管线普查技术与应用[M].东南大学出版社,12
作者简介:
关键词：混凝土路面,养护,维修,探地雷达,检测
1 工程背景
贵阳市东北绕城公路为高等级一级公路,左右幅路基宽度共22.5m,该路线采用普通水泥混凝土路面结构形式,路面结构层的设计为:25cm厚水泥混凝土面层、20cm厚水泥稳定碎石基层、20cm厚填隙碎石底基层。于1998年建成通车。2007年3月,为了在混凝土路面加铺改造前确定原有混凝土路面的实际厚度,并判断该混凝土路面下存在的脱空、欠密实、充水等病害的程度及区域,养护单位邀请检测单位采用探地雷达对6km长的试验路段进行快速检测。试验路段桩号为K 3+000～K 9+000。通过雷达快速检测的结果对各种不同情况的水泥混凝土路面给出不同的处理方案。表1为部分雷达扫描成果表。
2 雷达工作原理
探地雷达(亦称地质雷达)是近年来广泛应用于工程检测方面的一种物探仪器。它相对于其他物探仪器具有精度高、影像直观、检测效率高、现场工作灵活、方便等优点。目前,在浅层、超浅层工程检测中广为应用。工作过程中,由雷达信号发生器产生固定频率的电磁波,通过雷达主控制器对信号脉冲宽度、相位、衰减度、指数增益等一系列技术参数进行调谐调频,并进行信号样点数字化、信号迭加处理,然后由主控器通过信号高保真电缆和屏蔽天线将信号以60°的方向角向混凝土内发射,电磁波遇到有电性差异的层面后即发生反射,被天线再次接收,并原路返回到雷达的信号接收处理器内,经简单处理后的雷达信号分两路传送:一路直接传送给雷达显示器,通过“四色原理”将雷达信号以彩色形式直接显示在视频显示器上,其显示速度与天线运行速度保持同步;另一路进入数据存储器中,内存将所有技术参数连同雷达信号资料进行保存,以便进行回放和更深一步的处理。所有雷达的专业处理、反演解释软件均可安装在通用计算机上来完成,雷达主控器、内存可直接与通用计算机进行数据通讯,将雷达数据传到计算机中进行更高级的处理和解释。本次检测使用的地质雷达为美国GSSI地球物理公司研制生产的SIR-20型高速地质雷达仪,选用天线为900MHz天线。数据处理和反演解释使用仪器生产厂家与美国加州大学联合研制的RADAN 6.0版雷达处理软件。
2.1 雷达检测混凝土厚度的原理
在混凝土电磁波波速V已知的条件下,可根据地质雷达测到的脉冲波旅行时间t,计算混凝土厚度h:其中,t为反射波走时(需将图像转换为波形读取);V为混凝土电磁波速度,其值可用三种方法获取:1)由已知深度的目标体标定得出;2)用广角法或共深度点法测试得出;3)利用介质的相对介电常数Er的经验值由下式计算得出:本次工作使用方法1),即:在给定区域钻取路面混凝土芯样厚度值h,通过在该区域采用探地雷达进行“点测”读取反射波走时t,从而得出路面混凝土电磁波速度V。
2.2 雷达检测混凝土缺陷的原理
根据电磁波理论,当电磁波穿过层状介质时,由于上下介质的电磁特性不同将产生折射和反射(见图1)。
电磁波在介质介面的折射和反射特征由折射系数T和反射系数R表示,由于混凝土为非磁性介质,当电磁波垂直入射(即入射角θ=0)时,可有下式:
其中,ε上,ε下分别为上、下层介质的介电常数。
由此可知:1)对于非磁性介质,电磁波的反射特性与介质的介电常数有关,根据反射系数R及电磁波在介质顶底面之间的反射时间差,就可以求出介质层的厚度,以此类推可求出电磁波穿过的每一层介质的层厚。2)若水泥面板和基层相接触,由于一般混凝土的介电常数为6～9,基层的介电常数为6～15,则反射系数R为+0.101～-0.225。3)若水泥面板和基层间存在脱空时,则水泥面板底会与脱空层相接触:a.当脱空层充水时,由于水的介电常数为81,则有反射系数R为-0.5～-0.572;b.当脱空层为空气时,由于空气的介电常数为1,则有反射系数R为+0.5～+0.420。
现场检测时,探地雷达每发射1次脉冲,就接收到1串反射讯号,称为时间系列或扫描记录。随着天线在路面前进方向平行移动,得到无数扫描记录(大约100扫/m),最终合成完整的地下透视图像。通过在测试小推车上配设测距轮,就可以精确地得知探地雷达测试信号结果所对应的路面坐标信息。
3 应用成果
1)利用探地雷达分析软件自动追踪解释构造剖面,并进行钻孔结果验证:混凝土路面厚度为29cm,水泥稳定碎石基层及填隙碎石底基层厚各约20cm,水泥稳定碎石基层已产生破坏,取不出完整芯样。钻孔验证结果与雷达资料解释基本吻合。
2)对路面基层、底基层损毁病害路段进行探地雷达检测,结果显示:该段落混凝土路面厚度约25cm,深度30cm～60cm范围基层、底基层损毁。后钻孔验证发现:混凝土路面厚度为24.9cm;设计为20cm厚的水泥稳定碎石基层取不出完整芯样;钻芯完成2d后观察,60cm钻孔深度中,地下水已上升到高度为30cm处。
3)利用探地雷达检测对混凝土面板下脱空的路段进行探地雷达检测,结果显示:该段落混凝土面板厚度约20cm,面板与基层间存在脱空层,深度30cm～50cm范围基层、底基层损毁。后钻孔验证发现:混凝土路面厚度为19cm;设计为20cm厚的水泥稳定碎石基层取不出完整芯样;钻芯完成2d后观察,60cm钻孔深度中,地下水已上升到混凝土面板底部。
4 检测效率
本次所检测的6km试验路段,单幅布置了4条纵向测线,相邻测线间距约2m,探地雷达现场检测左右幅共计测线长度为48km,花两个工作日;钻孔验证花两个工作日;资料解释花两个工作日;一周内就向委托单位提交了检测成果报告。
5 结语
作为一种无损、科学的检测办法,“探地雷达法”具有下列几个方面的优势:
1)检测速度快;
2)能确定路面混凝土面板及基层、底基层的厚度;
3)能确定脱空板的位置及脱空量的多少;
4)能判断路面混凝土面板下的地下水状况;
5)能判断路面混凝土面板下基层、底基层的损毁位置及程度。
因此,在对混凝土路面进行大规模的养护、改造前,先进行“普查”,及时掌握混凝土面板下的支撑状况,从而为“有的放矢”地进行路面的养护、维修提供快速、准确的依据,“探地雷达法”在高速公路建成运营后的养护过程中,必将得到日益广泛的运用。
参考文献
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[2]JTG D40-2002,公路水泥混凝土路面设计规范[S].
[3]曾凡奇,王复明,王晓冉,等.公路工程现场检测新技术[M].北京:人民交通出版社,2009.
随着探地雷达检测技术的不断发展与完善, 该无损检测技术目前已广泛应用于工程地质勘察、灾害地质调查、地基基础施工质量检测、考古调查、管线探测、公路工程质量检测等诸多领域。
探地雷达的基本原理为通过发射天线向地下发射高频电磁波, 电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时就会发生反射, 根据接收天线接收到的反射电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征来推断地下空间是否存在结构物、管线或者空洞等目标体。因此使用探地雷达进行检测时, 对所采集图像的解读分析至关重要, 在进行探地雷达图像的解读分析中, 不但要识别出目标体呈现的图像还要能分辨出外界环境的干扰所形成的图像, 从而得到正确的判读结论, 做到不错判不漏判。
辽宁省交通科学研究院应用探地雷达在工程中的应用主要有路面厚度检测、隧道衬砌检测、碎石桩完整性及密实性检测、地下管线检测等, 下面就介绍一些探地雷达在以上工程中应用的典型图像。
2 典型图像分析
2.1 路面检测
在路面厚度检测中, 如果用于高速公路检测, 那么由于高速公路所处环境开阔, 干扰信息少, 探地雷达采集到的信号信噪比高, 图像清晰, 非常易于分辨。图1、图2就是高速公路路面厚度检测典型图像, 从图中可以清晰地分辨出上面层与中面层, 以及下面层与基层的分界线。
如果用于城市道路检测, 由于城市道路附近楼宇、灯杆、输电线路以及地下各种管线等众多干扰因素的影响, 采集到的雷达图像上, 就会反应出较多的干扰信息, 对图像分析结果产生影响, 在进行图像分析时, 需要多注意区分地下真实目标与干扰因素形成的图像。
其中对探地雷达图像产生干扰较大的主要是人行天桥以及高压输电线路。进行检测时, 当探地雷达天线的测线方向与天桥桥向垂直时, 会产生如图3的雷达波形, 该雷达图像的主要特点是在图像中形成较大的曲线波形, 其顶部反射较强。产生这一图像的原因为桥梁梁板底面会对雷达波产生绕射, 如果桥梁底面较平而且较宽, 图像上显示的反射波顶部就平而缓, 如果底面不平, 是T型梁或者是小箱梁, 会产生与梁板数量相对应的波峰。图3的雷达图像就是通过小箱梁天桥时的典型反射图像, 图像中明显可见2个绕射波波峰, 其曲线顶部反射较强, 向两侧逐渐减弱。
另一个干扰因素就是高压输电线路对图像的影响, 当雷达天线的测线方向与高压电线输电方向垂直时, 干扰图像呈曲线型, 其顶点位于输电线下方, 对于超高压电线, 影响范围至少有50m, 图4就是高压电线产生的典型干扰图像。该类干扰图像与地下构造物反射极为相似, 都是曲线型, 进行雷达图像识别时要多加注意, 以免造成误判。判断该类干扰的方法主要是:
(1) 该类反射波形范围更大, 影响距离较远,
(2) 在进行检测时, 多注意附近是否有高压线、灯杆等干扰源, 并加以记录, 在分析图像时加以区分“真假”图像。
2.2 碎石桩检测
进行软土路基处理时, 经常采用的一种处理方法为碎石桩法, 以前对于碎石桩的完整性及密实性检测并没有有效的手段, 只能采用贯入法, 但是该方法检测速度慢, 受人为影响因素大, 造成在质量监督以及日常检测过程中, 很难对碎石桩的完整性及密实性进行有效的控制。
辽宁省交通科学研究院应用匹配40MHz低频天线的探地雷达对碎石桩的密实性及完整性进行了检测, 通过采集到的图像, 很好地判定了碎石桩的密实性及完整性, 收到了良好的使用效果。
图5是探地雷达采集到的原始数据图, 碎石桩桩身特性不明显, 基本淹没在背景噪声中, 经过雷达软件背景去除以及反褶积数据处理后, 桩身特性图像见图6, 可见碎石桩桩身特性基本体现出来, 从图像中可以清晰地分析出碎石桩桩身与软土路基的分界线, 桩身反射信号均匀, 从而判断桩身密实性及完整性良好。
图7、图8为碎石桩桩身存在质量缺陷的典型图像, 图7中雷达信号在碎石桩桩身上部和下部反射清晰, 但是中部靠上的位置反射信号弱, 判定为该碎石桩中部存在断桩现象, 造成这一现象的原因初步分析为钢桶上提时过快, 中部夹泥, 造成该桩中部压实程度较低, 从而形成断桩。图8虽然碎石桩桩身信号清晰, 但是从顶部开始桩身反射信号逐渐变窄, 判定为碎石桩结构不均匀, 右侧部位存在轻微缩颈现象。
通过分析探地雷达采集到的碎石桩桩身典型图像, 若碎石桩桩身密实, 那么采集到的图像中桩身反射界面清晰, 波形振幅、频率基本一致;当碎石桩桩身存在缺陷时, 则反射信号连续性差, 并且桩身反射信号与周围介质介电常数有较大差异, 造成反射面多而乱, 在雷达图像上表现为反射波多, 但波组不连续, 反射能量强弱变化大, 整个图像不清晰, 显得杂乱无章。应用探地雷达对碎石桩进行检测时, 还可以判定该处是否存在碎石桩, 以避免施工单位漏灌桩的可能性。
2.3 地下管线检测
辽宁省交通科学研究院使用100MHz天线对地下管线进行检测, 尤其是使用100MHz天线对地下较深范围目标进行检测, 取得了良好的检测效果。
图9、图10为使用100MHz天线探测地下深度为10m、直径为4m的混凝土输油管线, 从采集到的图像 (图9) 来看, 采集到的反射信号较弱, 反射信号与背景噪声掺杂在一起, 分辨不出管线基本信息, 经过背景去除、反褶积等数据处理, 处理到的图像见图10, 地下管线的基本特性就清晰了, 虽然该管线直径较大, 埋深较深, 获得的反射图像并不是很清晰, 但由图中仍可见该混凝土管线顶面的弧形反射曲线, 曲线从顶点两侧平缓下降, 图像效果还是较好的。
图11、图12是辽宁省交通科学研究院使用100MHz天线对地下混凝土管线进行检测的典型图像, 图11的地下管线埋深5m, 直径2m, 间距2m, 图12的地下管线埋深4m, 直径1.5m, 从雷达图像中可以看出由于管线埋深较浅, 获得的雷达图像反射明显, 图像清晰, 管线与周围介质分界明显。
由此可见应用探地雷达进行检测时, 尤其是使用较低频率的天线时, 其检测效果受深度影响还是较大的, 在较深范围时, 由于信号衰减较大, 分辨目标物体的能力将受到限制, 较小的目标体将很难进行分辨。
2.4 隧道衬砌检测
辽宁省交通科学研究院应用900MHz天线对隧道衬砌进行检测, 图13、图14是对隧道衬砌检测的典型图像, 图13是隧道衬砌内钢筋网典型图像, 图像中可见密集的连续强烈反射, 图像明显, 图14同样也是钢筋反射图像, 由于该图像钢筋网与二衬表面距离较小, 在分析类似这样的二衬雷达图像时, 需要注意由于钢筋反射强烈, 可能会掩盖二衬与初衬之间的空洞, 不密实缺陷, 尤其是对于多层钢筋的情况, 这种情况更需要注意。
同时还要注意一点, 钢筋层强反射所形成的多次反射波, 会造成虚假的空洞以及不密实图像, 进行分析时也要多加注意。在雷达出现这种情况难以进行判断时, 可以通过加密测线, 改变测线方向等方法, 对比同一检测位置异常图像的变化情况, 来对衬砌缺陷进行判读。
图15、图16是二次衬砌内缺陷的典型图像, 图15是衬砌内三角形空洞异常图像, 该缺陷常发生在二衬每一模板台车接缝处, 产生的主要原因就是每一模板台车边缘混凝土不容易达到, 并且混凝土在边缘处容易产生离析, 从而容易产生空洞。图16是衬砌内空洞的典型图像, 该图像表面表现为不规则的弧形反射, 反射信号杂乱, 边界不清晰, 反射多, 局部存在强反射点, 该图像与衬砌内钢管、衬砌内预埋构件等所形成的反射图像极为相似, 进行图像分析时, 应注意区别, 以免误判。
2.5 市政工程检测
辽宁省交通科学研究院应用400MHz天线对市政工程地下管线进行检测, 图17是地下煤气管线检测典型图像, 该图像是雷达测线与煤气管线成一定角度的雷达图像, 其特点是在一定区域内形成连续反射曲线。图18是雷达通过地下通道的典型图像, 该图像在地下通道处形成强反射区域, 边界清晰, 进行该图像分析时, 要注意与地下空洞、地下隧道图像的区别, 因为这几种地下构造物形成的图像非常相似。区别主要是雷达天线穿过这类地下通道等人工结构物时, 在一定宽度内出现由浅及深的强反射信号, 这些强反射信号与周边信号具有明显边界特征。
非常难以分辨的是地下管道及地下井室与地下空洞的判断, 因为这些地下结构物形成的就是地下空洞, 但是作为检测工作者, 要将这两者加以区别, 因为检测结论是空洞还是地下构造物, 结果是截然相反的。这两者产生的雷达的信号非常相似, 都会在雷达图像上产生具有较强的明显反射, 在进行雷达图像分析时, 不但要分析图像还要结合地下管线资料, 以及加密测线等方式进行区别。
进行市政工程检测时, 还需要注意的就是金属井盖与地下金属物体图像的区分, 这两个物体所产生的雷达反射图像非常相似, 图19为金属井盖的雷达典型图像, 图20为地下金属物体的典型图像, 这两个图像的区别在于, 金属井盖下方为井室空洞, 雷达波在井内传播被折射、散射和吸收, 产生的反射波越向下消耗越明显, 最后在雷达图像上消失, 而金属物体下方是密实的, 雷达信号在地下继续传播, 衰减程度较小, 形成持续减小的多次反射波。
3 结论
采用探地雷达进行检测时, 对于雷达出现的异常图像, 又不能判断该异常是干扰还是真实目标体, 可以在异常图像附近加密测线或者改变测线方向进行复核, 针对同一位置出现的异常图像进行对比, 如果相同位置仍然出现相同的异常图像, 才可以对所采集的图像进行评价, 以避免误判的可能性。
以上介绍的是雷达检测应用中一些典型图像, 在实际检测过程中, 对雷达图像产生干扰以及影响雷达图像信噪比的因素很多, 雷达图像也不是一成不变的, 在检测过程中要及时观察雷达图像, 对出现的异常图像, 要及时观察附近环境情况, 并尽可能掌握周围环境、地下管线及构造物情况, 对雷达图像进行综合分析, 排除影响因素, 正确解析雷达采集到的图像。
摘要：介绍了探地雷达基本原理, 针对路面检测、碎石桩检测、地下管线检测、隧道衬砌检测、市政工程检测的典型图像进行了介绍, 并对图像分析中经常出现的干扰因素进行了分析。
关键词：探地雷达,隧道,挡土墙,空洞,不密实
探地雷达 (Ground Penetrating Radar, 简称GPR) 是利用超高频 (106~109Hz) 脉冲电磁波探测介质的分布情况的一种地球物理勘察仪器。探地雷达具有无损、分辨率高、采集速度快、精度可靠、后期数据处理简便等特点。因此在铁路、公路、建筑、市政、考古等领域得到广泛的应用。本文结合洛湛线、黔桂线、河湛线、田德线铁路隧道和挡土墙的检测实践, 对探地雷达在近年广西铁路建设中的应用作一介绍。
1 工作原理
探地雷达由一体化主机、天线及配套软件等部分组成。探地雷达主机通过发射天线T在被测物表面向内部发射频率为数百兆赫兹的电磁波, 当电磁波遇到不同的媒质界面时便会发生反射和透射, 反射波返回被测物表面, 又被接收天线R所接收 (见图2.1, RIS探地雷达发射和接收为同一天线) 。此时雷达主机对所接收的反射信号进行处理和图像解译, 达到识别地下目标物或反射面的目的 (见图2.2, 图2.3) 。雷达波在同一均匀介质中的传播速度是不变的, 因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差△t, 即可据下式算出地下目标物或反射面的深度d:
式中, v是电磁波在地下介质中的传播速度, 探地雷达电磁波通常被近似为均匀平面波, 其传播速度在高阻媒质取决于媒质的相对介电常数εr, 其大小由下式表示:
式中, c是电磁波在大气中的传播速度, 约为30万km/s;εr为相对介电常数, 取决于地下各层构成物质的介电常数。
其中雷达波在不同介质中的传播速度v是不一样的, 因此我们需要对不同介质的层设置不同的雷达波速, 以得到精确的分层厚度值。一般我们采用钻孔取芯的方法或在已知厚度的地方做实验, 由式 (1) 得出真实的波速值v=2d/△t。
电磁波传播在遇到不同的反射界面时, 雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比, 在以位移电流为主的低损耗介质中, 反射系数可表示为:
式中, ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。
由此可知, 反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异, 电性差越大, 反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。导电率越高, 穿透深度越小;频率越高, 穿透深度越小, 反之亦然。
2 RIS探地雷达检测实例
2.1 R IS探地雷达检测挡土墙
2.1.1 挡土墙检测方法
挡土墙是铁路路基的重要防护建筑物, 它的质量好坏直接关系到铁路的正常运营。但挡土墙多为隐蔽工程, 施工完成后很难从其好看的外表而发现在施工过程中存在的很多工程质量问题, 因此, 对挡土墙的质量检测成为质检部门的重中之重。探地雷达因无需破坏挡土墙的整体结构, 在墙体表面快速扫描之后就可以分析得出挡土墙墙体厚度是否达到设计要求, 内部有无空洞及密不密实等情况而得到迅速得推广和应用。挡土墙按结构形式可分为:重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙等。广西铁路建筑中重力式挡土墙较普片, 就以重力式挡土墙为例作介绍, 其测线主要分为横向和纵向两个基本测线方向, 测线示意图如图3.1、3.2所示。挡土墙测量平面选在外露的平滑一侧, 测线布置成网状。横向测线主要测量挡土墙在一定标高位置处的墙体厚度, 由挡土墙剖面图可以看出, 挡土墙墙体厚度在同一标高的测线应该是一致的。因为大多数挡土墙下方都被土回填了, 所以横向测线往往不在同一标高位置处, 而存在着变线的情况, 我们可以采用打标的方法假定为一条连续的测线而一次完成, 从而加快了检测进度。对于这些不同标高、墙高的测线所得的厚度, 我们可以根据设计厚度, 按照简单的几何比例关系求出具体位置的设计厚度, 然后和检测的墙体厚度进行对比, 找出其中墙体厚度不满足设计要求的部分。竖向测线主要测量挡土墙在某一水平位置处墙体厚度纵向的变化规律。由挡土墙剖面图可以看出, 挡土墙墙体厚度在同一水平位置的竖向测线是不同的, 部分墙体呈线性变化和厚度有突变点。如图3.2、3.2所示。
2.1.2 挡土墙典型部位雷达界面图
图3.3是沿着片石混凝土挡土墙的一条横向测线扫描得到的雷达图, 此位置的挡土墙厚度均匀, 没有大的变化, 如图3.3所示, 图中挡墙分界线非常明显, 且该分界线上下的雷达波形差异较大, 上部雷达波形相对细密并存在多个小抛物线, 为明显的片石较多雷达波形反应, 下部雷达波形相对疏松, 为挡土墙后面介质的雷达波形反应, 所以该界面为挡墙厚度界面, 厚度约1.9米 (可以从雷达后处理软件上直接读出挡土墙厚度) 。图3.4是沿着片石混凝土挡土墙的一条竖向测线扫描得到的雷达图, 此位置的挡土墙厚度沿着测线前进方向逐渐减小, 基本上呈线性变化, 如图3.4所示, 在图用画线标示出了挡土墙厚度界面线位置。
2.2 R IS探地雷达检测隧道
2.2.1 隧道检测方法
隧道检测内容一般为衬砌厚度、衬砌内和背后有无空洞、衬砌背后有无脱空、有无片石回填或不密实等情况。测线位置一般布置在拱顶一条、拱脚两条、左右边墙按50%抽检、隧底一条, 共计六条。隧道衬砌检测使用的天线频率因检测精度和深度不同而略有差异, 通常拱顶、拱腰、边墙采用900MHz, 隧底采用400Mhz。选定频率后, 要对仪器进行雷达波速标定, 在隧道衬砌上作雷达短测线测取衬砌与岩体交界面反射波走时Δt, 再在测线部位打钻孔穿透衬砌, 实际丈量衬砌厚度D (应作孔斜校正) , 反算出V=2D/Δt。如果无法钻孔, 可根据隧道进出口明洞衬砌厚度与实测反射走时, 计算出V, 取平均值作为衬砌厚度计算的参数。现场采用人工抬举和车载检测平台等方法将天线与隧道衬砌的表面密贴, 并沿着测线连续匀速滑动。采用打标方式进行定位, 根据系统配置和天线滑行速度设定空间采样率, 雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值, 构成连续雷达剖面。如果数据有问题, 应该重新采集, 保证其有效性。检测时, 为减少外界对雷达数据的干扰, 采取关闭隧道内的所有动力电源, 只开少量照明电灯, 关闭隧道内移动通讯中转站等措施, 最大限度地提高雷达记录的信噪比。
2.2.2 隧道典型部位的雷达图
图3.5雷达图方框内标示的是在深度约30厘米处有一衬砌内部的空洞存在, 其雷达波形明显的特征就是有多次反射波存在。图3.6方框内标示的是在衬砌内部存在一个异物的雷达图, 其雷达波形反应强烈, 明显异于周围介质。
图3.7田德线某隧道两个衬砌循环的衬砌连接处, 后一循环的挡头模板位置形成空洞的雷达图, 框内标示的是在深度约17厘米处存在的空洞, 其雷达波形明显的特征就是有多次反射波存在。图3.8框内标示的是洛湛线某隧道拱顶的一压浆孔处不饱和压浆形成的空洞区的雷达图, 其雷达波形多次反射特征明显。
图3.9框内标示的是洛湛线某隧道衬砌内部及背后不密实的雷达图, 其雷达波形相对其它部分来说, 信号反应明显强烈, 而且该区域内存在很多没有规律的小抛物线。图3.10方框内标示洛湛线某隧道欠挖造成的二衬厚度不足的雷达图, 在雷达图上明显存在一条衬砌界面的曲线, 该反射曲线没有多次反射, 说明不存在空洞, 根据隧道施工情况, 判定为欠挖造成衬砌厚度不足。
3 结语
使用RIS探地雷达进行挡土墙和隧道质量检测, 操作简单, 性能良好, 使用安全可靠;不仅检测速度极高, 日平均检测长度达到3公里, 而且精度很高, 数据处理十分方便, 满足铁路施工规范的检测精度要求, 起到很好的质量监督检查作用。它不仅可用于挡土墙、隧道的质量检测, 还可对铁路路基、涵洞进行检测以及用于隧道超前预报等, 具有很好的推广应用价值。
参考文献
[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京;地质版社, 1994.
[2]杨健.张毅等.地质雷达在隧道工程质量检测中的应用[J].公路, 2003.
[3]李凯.铁路挡墙质量检测中地质雷达剖面异常的判识[J].工程地球物理学报, 2009.
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