用于路橋檢測的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

鄭建峰

中鐵一局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 渭南 714000

近年來，隨著我國公路和橋隧建設(shè)規(guī)模的不斷增加，相關(guān)的質(zhì)量檢測任務(wù)日益加重。然而，公路與橋隧結(jié)構(gòu)的破壞常常始于各種隱蔽的或不可見的隱患，針對上述隱患檢測的傳統(tǒng)方法又不能及時、準(zhǔn)確地檢測及判斷隱患的具體情況。這就使得路橋結(jié)構(gòu)的維護(hù)針對性差、盲目性大，而真正的問題卻得不到解決。20世紀(jì)80年代后期，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用到公路與橋隧結(jié)構(gòu)的檢測領(lǐng)域，才為該類問題的解決打開了局面。

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）又稱探地雷達(dá)、透地雷達(dá)，是用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下或者巖體介質(zhì)分布狀況的一種方法。地質(zhì)雷達(dá)利用發(fā)射天線向地下或者巖體發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時間的變化特征推斷介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。使用探地雷達(dá)對路橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測具有實(shí)時、簡便、高效、準(zhǔn)確、連續(xù)、信息豐富等特點(diǎn)。目前，該項技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于公路與橋隧質(zhì)量控制及病害檢測中。

1 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)的工作原理是利用寬頻帶發(fā)射天線過向介質(zhì)發(fā)射無載波電磁脈沖，電磁脈沖會在介質(zhì)傳播過程中遇到不同電性介質(zhì)界面時產(chǎn)生反射。由接收天線接收到反射信號后，將其傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)并將轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，再通過數(shù)據(jù)、圖像分析處理，就能計算出被探測介質(zhì)的某些參數(shù)，從而區(qū)分不同介質(zhì)層面，并確定不同層面物體的深度。

對于不同介質(zhì)，雷達(dá)波的穿透深度是不盡相同的，這主要取決于波的頻率和地下介質(zhì)的電學(xué)特性等因素的影響。一般地，頻率越高，穿透深度越??；導(dǎo)電率越高，穿透深度越小，反之亦然。在常見的工程材料中，混凝土的導(dǎo)電率高于瀝青，因此同樣頻率的雷達(dá)波在水泥中的穿透能力小于在瀝青中的穿透能力。在實(shí)際應(yīng)用中，需要針對檢測對象材質(zhì)的不同，調(diào)節(jié)探測電磁波的頻率。例如，在實(shí)際檢測工作中，探測瀝青路面常常使用頻率大于1200MHz的天線，而對于水泥混凝土面層一般使用900MHz～1000MHz的天線；探測路基可使用頻率為300MHz～900MHz的天線。

2 發(fā)展概況

在1910年，德國人Leimbach和Lowy首次闡明了地質(zhì)雷達(dá)的基本概念。此后的很長一段時間里，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)有了很大改進(jìn)。但由于電磁波在地下介質(zhì)中的傳播的復(fù)雜性和不均勻性，使得對地質(zhì)雷達(dá)的研究它僅限于相對均勻、對電磁波吸收較弱的地質(zhì)環(huán)境。1963年，Evans S應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對極地冰層的厚度進(jìn)行探測。1974年，Pocello L T應(yīng)用該技術(shù)對月球表面結(jié)構(gòu)等。上世紀(jì)70年代以后，隨著電子技術(shù)的及現(xiàn)代處理技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，許多商業(yè)化的探地雷達(dá)系統(tǒng)先后問世，與此同時，探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，極大促進(jìn)了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在工程中的應(yīng)用。我國針對地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于上世紀(jì)80年代。1983年，鐵道部引進(jìn)了第一臺地質(zhì)雷達(dá)。此后，各科研部門經(jīng)過十幾年的不斷努力，在雷達(dá)硬件設(shè)備、目標(biāo)信號提取、目標(biāo)識別、目標(biāo)成像等方面取得重大進(jìn)展和突破，特別是成功地實(shí)現(xiàn)了對地下目標(biāo)的三維層析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使地質(zhì)雷達(dá)在信號處理和成像技術(shù)方面進(jìn)入了世界領(lǐng)先行列。目前在我國，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在軍事、地質(zhì)、水利、交通、城建等部門得到廣泛應(yīng)用。

3 在公路檢測中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)早期在公路檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是探測路面結(jié)構(gòu)層的厚度，或是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層材料特性的反演。近幾年，人們開始致力于研究應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測路面下的病害和缺陷，主要解決以下問題：

1）公路施工期：檢測公路各結(jié)構(gòu)層厚度和密度，及時監(jiān)控施工質(zhì)量，并做到在施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時質(zhì)量檢測；

2）公路使用期：定期快速、連續(xù)普測和路面與路基調(diào)查、路面與路基裂縫的調(diào)查。檢測層間脫空、空隙和破碎區(qū)域范圍，方便管理部門及時掌握道路變化趨勢，實(shí)施補(bǔ)救措施，并進(jìn)行道路狀況動態(tài)管理，為公路養(yǎng)護(hù)提供可靠的依據(jù)。

4 在隧道工程中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)在隧道中的應(yīng)用主要針對有混凝土襯砌結(jié)構(gòu)檢測、隧道病害檢測。主要解決以下問題：

1）襯砌厚度及襯砌鋼筋檢測：檢測隧道襯砌結(jié)構(gòu)各層厚度是否達(dá)到設(shè)計要求，原理與公路層厚度檢測類似。又由于鋼筋屬于良性導(dǎo)體，當(dāng)雷達(dá)波從介質(zhì)入射到導(dǎo)體表面時，由于存在較大的電磁性差異，必然產(chǎn)生反射現(xiàn)象。從電磁波理論可以知道，金屬材料對雷達(dá)波具有很強(qiáng)的反射能力。所以可使用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對隧道襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋的分布和密度進(jìn)行檢測；

2）超前預(yù)報：隧道的特點(diǎn)是斷面大、距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜。不良的地層條件極易引起隧道塌方、涌水等事故的發(fā)生。然而隧道工程所處環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)見性給安全施工帶來了不小的難度。為了盡量避免出現(xiàn)施工事故，在有地質(zhì)資料和理論分析作為參考依據(jù)的情況下，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)的超前探查技術(shù)對隧道圍巖變形進(jìn)行有效的監(jiān)測，實(shí)時分析和掌控隧道的變形情況，并對隧道的襯砌狀態(tài)進(jìn)行評價，可為施工提供指導(dǎo)性依據(jù)，從而達(dá)到安全施工的目的；

3）滲漏水：水對雷達(dá)波有強(qiáng)烈的反射，所以可以利用地質(zhì)雷達(dá)探測襯砌背后水的聚集情況，為防水與排水提供一定的依據(jù)。

5 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)雖然是一項較為前沿的檢測技術(shù)，但是以其獨(dú)特的優(yōu)越性，已經(jīng)在公路與橋隧結(jié)構(gòu)施工及后期檢測養(yǎng)護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如，在工程建設(shè)前期，可利用地質(zhì)雷達(dá)對地質(zhì)概況進(jìn)行勘查探測，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)、查找不良地段；在工程建設(shè)過程中，利用地質(zhì)雷達(dá)可以準(zhǔn)確地探測出路面結(jié)構(gòu)層的厚度，進(jìn)而使施工質(zhì)量得到保證；在工程的服役階段，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行常規(guī)例行檢測，以便于及時發(fā)現(xiàn)可能存在的各種隱患，為工程結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和維修提供指導(dǎo)以及，這對于延長使用工程結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要意義。相信地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)定會成為交通部門一種高效先進(jìn)的無損檢測手段。