GPR无损检测在隧道仰拱中的应用探讨

江西省天驰高速科技发展有限公司 / 万明飞

1 问题的提出

探地雷达（ground penetrating radar，GPR）无损检测技术应用于混凝土结构检测始于20世纪90年代，此后便在隧道衬砌、仰拱病害等检测领域广泛应用。探地雷达主要通过发射天线发射高频短脉冲电磁波，并经地下介质吸收以及异常体反射后，返回地面并被接收天线所接收。由分析软件对所接收到的雷达波形进行处理后便得到地下介质、异常体等的分布情况。隧道衬砌质量无损检测主要针对二衬、初支、仰拱等结构，其中仰拱填充及混凝土浇筑层厚度大，在应用探地雷达无损检测技术进行隧道仰拱脱空、不密实、厚度不足等缺陷检测时，必须对天线参数进行调整优化处理，以保证检测结果的真实可靠性。

2 技术应用

某隧道起讫桩号DKX15+150~ DKX15+530，长度为410m，采用单洞对向行车二级公路标准设计，隧道进出口均为U形沟谷及单一走廊带，进口为削竹式洞门，出口为墙式洞门，进出口海拔分别为3865m和3910m。该隧道是连接川西北、加强民族团结、振兴少数民族地区的交通要道。在运行过程中，隧道DKX15+185~DKX15+226段仰拱先后出现裂缝，为快速准确确定裂缝原因，隧道管理当局决定采用GPR探地雷达无损检测技术进行病害段仰拱密实度、内部缺陷规模大小等的检测。

2.1 数据采集

在应用探地雷达进行该隧道仰拱缺陷检测时，必须确定测区，并根据待测目标规模进行网格布线。测线间距按照待测目标水平尺度、分辨率等确定，为避免发生漏测，测线间距应≤目标水平尺度与分辨率。本文主要检测隧道仰拱右侧测线处既有裂缝，故应在待检测位置进行网格布线，其中a~g、j~n及p、q为测线。在完成网格布线后，根据目标深度、尺度、场地要求及天线尺寸等进行天线中心频率的确定。隧道仰拱实测时，应在满足场地条件及分辨率要求的基础上，尽量选用中心频率较低的天线，本隧道仰拱实际厚度1.8~2.2m，故选用400MHz的天线进行检测。

根据隧道仰拱探测深度最大值和介质电磁波波速实际情况确定采样时窗大小，且充分考虑以上两个变量的变化情况后，应预留出0.3倍以上的采样视窗余量。本隧道仰拱检测中采样视窗 的大小主要根据式 进行估算，式中 为隧道仰拱探测深度最大值（m）； 为介质电磁波波速（m/ns）。根据本隧道仰拱检测段最大厚度值及混凝土结构中电磁波实际传播速度，采样视窗 取45ns。

每道波形的采样点数即为扫描样点数，本隧道工程所用探地雷达检测设备包括128、256、512、1024、2048等五种采样点可供选择。为使监测频率下各波形所对应的采样点数至少为10个，扫描点数应不小于10个时窗长度与天线频率之积，所以，本隧道仰拱检测扫描点数取1024。每秒钟所采集的扫描线数量即为扫描速率，扫描线越密集则扫描速率越大，雷达天线移动速度也越快。确定出扫描速率后，雷达天线移动速度主要根据待测目标体实际尺寸确定，并保证在探测目标范围内至少设置20条扫描线，且移动速度不大于扫描速率与探测目标最小尺寸之积。由此所确定出的本隧道工程仰拱探地雷达检测扫描速率为70Scans/s。为保证扫描记录线上不同检测时段放大倍数不同，确保各段信号清晰显示，还必须确定增益点数，按照反射信号强度不低于设计满度值60%的相关要求，本隧道仰拱探地雷达检测时设置5个增益点。

2.2 数据处理及结果分析

为压制并降低随机规则干扰波的不利影响，必须进行数据处理，提升雷达剖面信噪比，并提取出电磁回波中的有用参数，进行隧道仰拱结构中不同介质物理特性的描述与解释。此外，进行数据处理的目的还在于重置数据元素，达到补偿不同方向反射叠加所造成空间畸变的目的。在具体进行数据处理时，必须结合原始数据数量的多少及质量的高低增减处理步骤。根据对本隧道工程仰拱结构混凝土厚度的测量结果，得到其衬砌混凝土介电常数取6.5，电磁波传播速度为0.12m/ns，并按照一般流程进行探地雷达数据处理。

基于数据处理结果进行隧道仰拱结构混凝土缺陷解释。在反射目标提取的过程中待测介质中电性差异存在，便能在雷达剖面中确定出相应的反射波，并通过比较邻道反射波，将其相同相位连接成同相轴。对于均匀无差异区域而言，同一组波的波峰、波谷等相位特征基本保持不变；而对于水平电性分界层，反射波组中通常存在一组同相轴与之平行。考虑到探地雷达所记录的点距往往小于介质变化相位，所以邻道上相同反射波组形态主特征不会发生较大变化，其波峰、波谷、波形、振幅及周期等均具有较为稳定的特征。结合该隧道仰拱病害探地雷达反射波组的实际特征，可直接在雷达图像中进行反射层提取。

根据对起讫桩号DKX15+185~DKX15+226段横向不密实缺陷雷达图像中正常部位反射波与不正常部位反射波波形图的比较发现，距离隧道仰拱表面0~43cm以内的反射波振幅、相位大致一致；而在距离隧道仰拱表面43~125cm内两道反射波相位相反，且异常部位反射波振幅最大可达正常部位反射波振幅的3倍，随距离增加，介电常数变化更为明显，高频波更加常见；但当与隧道仰拱表面距离超出125cm后，异常反射波波幅及相位逐渐趋于正常。

在距离隧道仰拱表面43~125cm范围内带状绕射较为发育，杂波较强，且同向轴并不连续，通过分析其缺陷图发现，测线f所对应桩号为DKX15+189~ DKX15+190，平均深度为0.54m，所测得的带状长条形缺陷绕射发育，面积为1.15m2，且杂波强；测线f所对应桩号为DKX15+191~DKX15+220，平均深度为0.51m，所测得的带状长条形缺陷绕射发育，面积为1.15m2；测线c、d、m、n、p所对应桩号分别 为DKX15+185~DKX15+186、DKX15+187~DKX15+188、DKX15+221~DKX15+222、DKX15+223~DKX15+224、DKX15+225~DKX15+226，平均深度分别为0.42m、0.45m、0.5m、0.58m和0.72m，所测得的带状长条形缺陷均绕射发育，缺陷面积分别为1.74m2、1.28m2、1.71m2、1.62m2、1.4m2。以上检测结果表明，该隧道仰拱局部区域混凝土填充均匀性差，胶结密实度不良。

3 结论

综上所述，隧道仰拱探地雷达检测在精度及分辨率方面有较高要求，在应用探地雷达400MHz天线进行隧道仰拱缺陷检测时，主要借助Radan7软件进行相关数据处理。施工方和质量控制单位在随后进行了隧道仰拱缺陷钻孔验证，破检结果和GPR探地雷达无损检测结果相符，表明本工程应用GPR探地雷达检测隧道仰拱时数据采集、处理方法准确有效，检测结果真实可靠。