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探地雷达技术在公路隧道质量检测中的应用 李 沫 （福建省交通建设工程试验检测中心 福州 350004） 概述 近几年，随着我国国民经济的迅速发展，交通、水利建设突飞猛进，特别是高等级公路，逢山开路，遇水架桥，达到了前所未有的程度，各种公路、铁路以及引水隧道的数量和质量随之迅猛增加提高，开创了历史先河。 在隧道的建设过程中，所面临的质量问题也不容忽视。以前隧道开挖时主要采用直接爆破，常会出现超挖或欠挖情况，这样给混凝土二次衬砌造成较大难度，往往在衬砌层内造成较大过空洞或衬砌层厚度达不到设计要求。随着施工工艺的变化，现在采用光面爆破技术，隧道开挖质量有了很大提高，但由于种种原因，竣工后的隧道仍或多或少存在质量问题。这样就需要一种与传统质检方法完全不同的隧道质量检测手段，高效率、全方位地进行检测，为解决隧道安全隐患及时准确地提供数据资料。 利用探地雷达进行无损检测是新发展的一种高新技术。仪器具有轻便、高效率、高精度、高分辨率 、超浅层探测、成果直观等特点,已成功地应用于许多领域,在隧道质量无损检测中，更是不可缺少。 二．检测项目及仪器设备 1．检测项目： 利用探地雷达技术检测公路隧道的项目主要包括： 隧道衬砌层厚度监控 衬砌层以内密实性及是否存在危及隧道安全的空洞 衬砌层内钢格栅、钢筋的分布情况等 2．仪器设备： 目前国内投入野外生产的探地雷达主要有美国的SIR系列、加拿大的EKKO系列以及瑞典的REMAC仪器等；而这些不同型号的雷达，其主要用途的侧重点也有所不同，有的用于煤矿，有的用于钻孔，还有的用于公路厚度检测。 2004年4月份，我们引进了美国GSSI公司生产的SIR-20新型探地雷达用于隧道质量无损检测，该仪器采用先进的控制器及数字处理软件，适用于各种型号的微机。采集数据在天线端口即被数字化，为真正的数字信号采集系统。配置400MHz频率的天线，具有较高的分辨率，其探测的深度范围可达2.5米左右，可完全满足隧道质量检测中的需要。 3．工作情况： 仪器引进后，我们先后对漳龙高速公路、京福高速公路（三明、南平和福州段）等各公路中的隧道进行了大量的检测工作，检测隧道73个，隧道长度（双幅）达110多公里，取得了很好的效果。 探地雷达检测隧道二衬厚度与钻孔取芯结果对比 表1 序号 隧道名称 检测位置 取芯厚度(cm) 雷达检测厚度(cm) 1 南洲Ⅰ号隧道 右洞左边墙YK175+530 45.5 44.9 2 南洲Ⅱ号隧道 右洞左边墙YK177+200 44.0 42.7 3 塔前隧道 左洞右边墙ZK184+470 33.0 32.5 4 金鸡山隧道 右洞右边墙YK189+950 40.5 40.8 5 叶坑隧道 右洞右边墙YK65+800 43.0 44.3 注：取芯位置离地面高度约2.4m，雷达边墙测线位置离地面高度约1.5m。 三．探地雷达方法原理 探地雷达发射和接收的是高频电磁波，根据电磁波理论，电磁波在介质中的传播特性取决于介质的波阻抗，而又主要与介质的相对介电常数ε成比例关系，即。当相邻两层介质的ε存在差异时，也就是两介质的波阻抗有差异时，使入射到两结构层分界面上的电磁波产生反射（图1），形成反射波，被雷达仪器接收到，从而使该结构层分界面被识别出来。这种波阻抗差异可用反射系数R表示，即 也可以用功率反射系数Pr表示，即。反射系数直接反映了介质的电性及其差异。由上述表达式可知，在一定深度范围内相邻两介质的相对介电常数ε差异越大，反射波越强，反射界面越容易识别。 图1 探地雷达工作原理图 图2 雷达检测隧道工作示意图 四．数据采集的方式、主要技术参数 1．数据采集方式： 探地雷达在野外工作时有多种数据采集方式，如自由采集（Free）、连续采集(Continuous)、点采集(Step)等。考虑到隧道质量检测的特殊性，一般常采用点采集的方式，这种方式利用测量轮触发天线控制开关，可自动、均匀、连续地记录数据，数据采集效率高，其点距范围一般为0.01m—9.99m，定位误差为±0.2%左右，定点精度高。 2．工作参数选择： 运用探地雷达检测隧道工程质量时，参数的选择是最关键的环节之一，其主要包括点距、时窗、采样间隔、叠加次数。 ① 测点点距的选择取决于天线中心频率、介质的介电特性以及所测的目标体大小。一般使用400MHz频率以上的天线，点距取为1cm--20cm，可保证探测的精度要求。 ② 时窗的选择主要取决于最大探测深度与介质中电磁波速度，在隧道质量检测中，介质主要是混凝土和岩石，若取电磁波的速度为0.1m/ns，要求探测深度在1.5m以内，时窗可取为35ns（包含采集背景噪音所需的时间）。 ③ 采样间隔的选择直接影响到波形采集的