用于路桥检测的地质雷达技术
2016-01-25
一、前言
地质雷达(又称探地雷达，Ground Penetrating Radar，简称GPR)检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。它是通过地质雷达向物体内部发射高频电磁波并接收相应的反射波来判断物体内部异常情况。作为目前精度较高的一种物理探测技术，地质雷达检测技术已广泛应用于工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、文物考古、混凝土结构探伤等领域。
二、地质雷达的工作原理
地质雷达仪器主要由控制单元、发射天线、接收天线、笔记本电脑等部件组成。工作人员通过操纵笔记本电脑，向控制单元发出命令；控制单元接收到命令后，向发射天线和接收天线同时发出触发信号；发射天线触发后，向地面发射频率为几十至几千兆赫的高频脉冲电磁波；电磁波在地下传播过程中，遇到电性不同的界面、目标或局域介质不均匀体时，一部分电磁波反射回地面，由接收天线接收，并以数据的形式传输到控制单元，再由控制单元传输到笔记本电脑，以图像的方式显示。对图像进行处理分析，便可得出地下介质分布情况，从而实现检测的目的。其工作流程如图1所示。
按照现场测量和数据采集技术，地质雷达检测技术可以分为剖面法、宽角法、多天线法等几种方法。其中最为常用的是剖面法，即发射天线和接收天线以固定间隔距离沿测线同步移动的一种测量方法。发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。当发射天线与接收天线同步沿测线移动时，就可以获得一系列记录组成的地质雷达时间剖面图像。其中横坐标为天线在地表测线上的位置，纵坐标为电磁波从发射天线发出经异常介质反射回到接收天线的双程走时。当发射天线与接收天线之间的距离相对天线与异常介质的距离很小时，可以近似认为双程走时正比于天线与异常介质的距离。
三、地质雷达误差产生分析
1、反射信号时间差
要想准确地记录反射信号时间差，首要的问题是确定计算时间的起点。依据地质雷达的工作原理，可以把探地雷达的反射信号的触发点看作是物理时间的起点，但是这样也存在不少问题尚待解决：
（1）强烈的直达波信号和地面反射信号的干扰，使记录整体面貌变坏，影响增益设置和自动增益的使用。
（2）天线的位置随着路况的不同而起伏颤动，识别地面反射点的位置要花费大量的精力。
为了提高起始零点的标定精度，地质雷达一般备有自动调零设置，设计用自动软件将时间起点移到地面反射信号位置。同时，还要辅用一些校正方法。校正的方法是：首先显示整条波形扫描曲线，在扫描曲线中辨认出直达波和地面反射波，然后将原点时间光标移动到地面反射的位置。
2、介电常数的标定
介电常数决定介质中电磁波的传播速度，因此介电常数能否正确标定是能否测定路面厚度的另一个重要因素。标定介电常数的传统方法主要有数学模型计算、利用钻芯厚度标定以及反射波波幅推导3 种。
四、在公路检测中的应用
公路路基往往由于含水量过高、承载力不足、压实度达不到要求等原因，而使路基产生过量沉陷，形成空洞、暗穴，有时局部还会产生滑坍等。面层在行车荷载的反复作用和自然风化因素的影响下，会逐渐出现损坏，形成路面沉陷、车辙推移、开裂等。另外，由于公路结构层透水性问题使局部集水。而产生软弱体(或软弱层)等病害。公路病害的形成原因是多方面，有本身质量造成的，有自然风化、外界作用产生的，路基问题与路面问题也不是独立形成的，两者相互作用、互相影响，因此在公路病害调查中，查明“病因”十分重要。本文特选了几个典型路段作针对性检测试验。这些路段的路面破损明显，出现了坑槽、车辙、推移、裂痕、路面沉陷、桥头跳车等多种病害。
1、公路基层及路基损坏检测
本次检测出基层及路基损坏的区段较多，在雷达资料上，结构层损坏表现为界面反射起伏不平，反射波扭曲，连续性差。该段基层反射波起伏虽不大。但连续性较差。而路床反射微弱，但反射起伏较大，说明路基及基层已破坏，路基损坏较严重。
2、公路路面脱空检测
检测位置在某铁路桥南侧。该段路面已损坏，从资料上分析，基层损坏明显，垫层与路床界面起伏不平，说明基层、垫层内部介质横向上已发生变化，基层内部界面不明显。分析该段路结构层：面层底面反射时间2．94ns。埋深16cm；基层底部反射时间11．18ns，埋深71cm。桥头以南仁20m范围内，面层之下有一明显软弱夹层，形成路面脱空，检测资料上反映为一夹层反射，以中部为最厚，反射时间为2．2l-5．74ns，厚约5cm，其下基底界面已十分微弱，说明基层工程特性较差。
3、公路路面裂纹检测
裂纹在高速公路病害异常中表现比较细小。根据雷达探测原理可知：频率越高，探测深度越浅，分辨率也越高；反之频率作者简介：蒲茹英，河北无极县质量技术监督局。低，探测深度越深，分辨率也相应下降。所以雷达探测一般可解决浅部的裂纹异常，深部的裂纹可考虑采用超声波法进行探测。深裂纹异常表现为向两边分散的有倾斜度的同相轴，浅部裂纹雷达图象异常与此相似，但表现不太明显。
4、公路路面下沉检测
路面下沉可能由于建设初期压实度不够或后期长时间负载以及路基强度不够等造成的，在雷达图象上主要表现为同相轴不水平，有一定的倾斜度。
5、公路路面钢筋网检测
公路路面钢筋网异常时，雷达探测是根据电磁波原理进行探测，所以对铁磁性的物质感应特别明显，主要表现为同相轴有波峰突起，图象情况跟钢筋疏密有关，疏时同相轴呈小弧行，密集情况时则连成了一片。
6、公路路面密实度检测
由于建设初期压实度不够或其它原因引起，部分桥台和路段存在不密实区。在该范围内介质通常不均匀，与周围的介质之间存在一定的差异。在雷达波形图中表现波形比较紊乱，与正常的路面雷达图象相比层状波形少，与空洞异常相比，多次波相对也较少。
四、 在隧道工程中的应用
地质雷达在隧道中的应用主要针对有混凝土衬砌结构检测、隧道病害检测。主要解决以下问题：
1、衬砌厚度及衬砌钢筋检测
检测隧道衬砌结构各层厚度是否达到设计要求，原理与公路层厚度检测类似。又由于钢筋属于良性导体，当雷达波从介质入射到导体表面时，由于存在较大的电磁性差异，必然产生反射现象。从电磁波理论可以知道，金属材料对雷达波具有很强的反射能力。所以可使用地质雷达技术对隧道衬砌结构中钢筋的分布和密度进行检测。
2、超前预报
隧道的特点是断面大、距离长、地质条件复杂。不良的地层条件极易引起隧道塌方、涌水等事故的发生。然而隧道工程所处环境的复杂性和不可预见性给安全施工带来了不小的难度。为了尽量避免出现施工事故，在有地质资料和理论分析作为参考依据的情况下，结合地质雷达的超前探查技术对隧道围岩变形进行有效的监测，实时分析和掌控隧道的变形情况，并对隧道的衬砌状态进行评价，可为施工提供指导性依据，从而达到安全施工的目的。
3、渗漏水
水对雷达波有强烈的反射，所以可以利用地质雷达探测衬砌背后水的聚集情况，为防水与排水提供一定的依据。
结 论:
地质雷达技术虽然是一项较为前沿的检测技术，但是以其独特的优越性，已经在公路与桥隧结构施工及后期检测养护等领域得到广泛的应用。例如，在工程建设前期，可利用地质雷达对地质概况进行勘查探测，确定地质结构、查找不良地段；在工程建设过程中，利用地质雷达可以准确地探测出路面结构层的厚度，进而使施工质量得到保证。
