浅谈地质雷达在铁路隧道无损检测中的应用

浅谈地质雷达在铁路隧道无损检测中的应用

【摘要】随着科技的发展，地质雷达技术进一步成型，在铁路隧道无损检测中有了较多的应用。文章对地质雷达在铁路隧道无损检测中的应用进行分析，具有一定的借鉴意义。

【关键词】地质雷达；铁路隧道；无损检测；应用 一、前言

文章对地质雷达技术的工作原理进行了介绍，对地质雷达相关技术参数和数据进行了分析与解释，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对提高地质雷达检测精度的措施和铁路隧道病害预测和检测及注意事项进行了探讨。

二、地质雷达技术的工作原理

自上世纪70年代开始至今，地质雷达（GroundPenetratingRadar,简称GPR）作为一种无损检测技术(Non-DestructiveDetection)，应用在铁路工程中的各个领域，主要解决场地勘查、隧道工程质量检测、铁路病害诊断等问题。

地质雷达技术是一种对地下的或物体内不可见的部分进行定位的电磁技术。工作原理为:利用超高频(106～109Hz)电磁波以宽频带脉冲形式,通过发射天线定向送入地下或工程实体内,经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面,由接收天线接收。高频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特征及几何形态而变化。电磁波在有耗介质中传播时,遇到地下介质不均匀、介电常数有差异时便会发生反射,其发射系数由介电常数决定。故通过对时域波形的采集、处理和分析,可确定地下界面或构造物的空间位置及结构。地质雷达探测深度范围和分辨率与所使用的天线频率有关。不同的地质结构或不同的工程实体需要不同的天线频率。

三、地质雷达相关技术参数分析以及数据采集分析

1.相关技术参数浅析

某试验工程在进行质量检测的过程中，其所使用的地质雷达类型为意大利生产的RIS DAD MCH FW雷达系统，其双通道主机的主要特点如下：

(1) 可自动设置增益, 简化了操作过程, 提高了成像效果, 降低了误差。增益设置关系到数据采集的效果, 因此, 手工设置增益对操作者要求比较高, 他必须了解介质的地电特性, 并通过反复设置, 寻求最佳的增益参数。RIS-K2 型探地雷达的采集软件, 增加了自动设置增益的功能, 操作者只需在现场拖动天线, 软件就会根据实际采集的数据自动设置增益, 不仅降低了对操作者的要求, 而且设置的增益更加符合周围介质的地电特性, 减少了误差。

(2) 数据采集比较方便, 成图和处理快速直观, 探测分辨率有了很大提高。RIS-K2 型探地雷达自带数据处理软件, 现场采集现场处理, 而且图像十分直观, 方便了野外的实地操作。除此之外, RIS-K2 型探地雷达还配备了后处理软件, 当地质条件较差, 现场难于判断时, 也可将原始记录保存下来, 再用后处理软件进行处理和分析。

(3) 测距轮的使用, 使得现场操作更加方便、准确。RIS-K2 型探地雷达使用了测距轮, 自动记录测线的坐标, 简化了探测过程。

2.数据采集浅析

在某试验工程进行的过程中，我们按照隧道相关的质量检测规范以及标准，顺延这隧道内部的左右弓腰部分以及边墙部分进行5条测试轴线的布置，具体的布置示意图按照下图1中所示，在进行实际的操作过程中，在车上便将地质雷达的主机进行安装，并且由相关工作人员持天线送到固定的测试位置，在进行实际的采集过程中高的时候，挖掘机以及车，或者是操作人员以及车必须保持匀速缓慢前进的状态，以方面对数据进行采集。

在以混凝土作为测试例子进行估算的时候，其相应的相对介质参数为6.4，并且在其中其电磁波有效的传播速度保持为0.120m/ns，并且其衬砌厚度最大值则是保持在1.101m左右，并且可以根据相关的公式对时窗值进行计算。在进行外设天线的选择过程中，选择双置类型的天线（规格：900mhz）；在进行数据采集方式的确定过程中，选择线测的方式进行，对于一些异常的区域，通过点测或者补测的方式进行，在进行增益方式的选择过程中，一般情况下选择5点进行自动增益。

3.地质雷达数据处理与解释

探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。由于地下介质相当于一个复杂滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异；另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以提高数据的信噪比，为进一步解释提供清晰可辨的图像。图像处理包括消除随机噪声压制干扰，进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行带通滤波处理除去高频、低频信号，突出目标体。降低背景噪声和余振影响。对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理。最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判释。

4.误差分析

在地质雷达法检测铁路隧道中是存在一定误差的，所以分析误差的来源避免误差、减少误差是非常有必要的。地质雷达法检测能否达到相关规定的精准度是关键的问题。根据现场施工的情况来看，误差的来源除了机器设备本身的误差、设置参数的误差、被检测介质的复杂情况以及衬砌的表面与天线之间的接触效果

等因素外，还有之前我们所提到的里程定位和空洞定位所产生的误差、钢筋的数次反射影响以及计算的误差等方面。

通过了解误差的来源，对产生误差因素进行分析，尽量减少、避免误差也是这些年来技术人员一直需要克服的问题。只有准确的掌握隧道的内部情况减少误差，施工的安全、质量、效率才会得到提升。

四、地质雷达实测数据分析与解释

1.隧道衬砌厚度检测

要想保证隧道承载力和使用寿命，其衬砌厚度十分重要。一般选用900mhz天线地质雷达，方法为五侧线法。由于二衬、初支以及围岩间组成不同，有着差别很大的介电常数，可根据反射界面的形成判断。

2.混凝土裂缝检测

一般混凝土出现裂缝，反射波层面会形成中断，出现较明显的异型区。其会形成一种纵向上波形变化，且反射波不规则与周围波形相异。

3.密实度检测

衬砌后密实度是严重威胁隧道质量的隐患，其在雷达图像往往出现杂乱的波形。由于反射振幅不稳定，相位差明显。

4.脱空区检测

脱空区作为常见病害，相对来说比较容易判断。一般表现为反射波正反相间，并且出现先蓝后红的波相，所以脱空区位置十分明显，容易辨识。

五、提高地质雷达检测精度的措施

1.了解检测区间物理状态

衬砌层物理状态的变化直接影响到雷达波的变化，影响因素主要是含水量的变化、检测面平整度、衬砌层砼材料配比变化、衬砌层结构变化。隧道检测有许多条测线，分若干次检测，每条检测的衬砌层物理状态变化情况并不完全一致，这就需要较为详细地了解设计资料、隧道的施工记录，同时在检测过程中还要做好外业记录。只有这样才能根据客观情况，有针对性地对地质雷达资料进行合理的分析。

2.合理布置取芯点位

影响检测精度的主要问题是标定的地质雷达的电磁波速度，根本问题是不同

区间介质物理状态的变化，实质问题是介电常数的变化。当使用地质雷达进行隧道检测时，合理布置用于标定雷达波速的取芯点位，对衬砌层在不同物理状态下的雷达波速进行分别统计，并分析雷达波速的变化规律，有效控制因雷达波速的误差带来的探测偏差或较大误差。

3.注意区分多次反射信号

衬砌层厚度相对较薄，且内部结构比较复杂，衬砌层的面层和内部结构层会形成多次反射信号，多次反射信号可能与内部结构界面形成的反射信号重叠或偏离，当多次反射信号与雷达波同相轴存在连续性偏离的情况下，容易对结构界面的厚度误判。不平整的表面由于与天线不能紧密结合时，也会形成反射界面，同时会有若干个多次反射信号。注意区分多次反射信号，是避免地质雷达资料判读偏差的重要环节。

六、铁路隧道病害预测和检测

在病害的预测方面，主要在施工之前，针对隧道建设地的基础预测，包括一系列自然灾害病害的检测。即隧道前方是否存在断层、节理裂隙或者是岩溶突水。因而可以在施工前采取预防措施，制定相应的施工计划。我们应掌握返回波形特征，正确判断病害原因。一方面，含水层面振幅反射较强，则滤掉大部分高频电磁波，只留下低频电磁波，并且可见脉冲周期明显变长。这是掌子面前为小断层涌水层。另一方面，断层界面电磁波反射强烈，高频部分衰减快，波幅逐渐增强即出现了断层破碎带。

完成的隧道需要经定期健康诊断。将检测结果做分析报告，有助于维护隧道的健康运营，或者即使提出病害整改措施，保障其安全性。关于施工的选材问题，若水泥标准达不到要求，或其于混凝土的混合比例不恰当都不能完成相应的建筑目标。地质雷达的检测，用于其内部结构的明确分析，及时得到隧道病害的情况，方便立即采取措施维护其健康运用。

七、结束语

地质雷达技术对于铁路隧道无损检测中的相关问题解决有重要的促进作用，但仍然还有很多问题不能解决。这需要我们不断的研究，让地质雷达技术在铁路隧道无损检测中的应用进一步深化。

参考文献

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