探地雷达在公路工程探测中的应用

邓 瑞

(西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756)

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)，又称地质雷达，是一种通过电磁波在介质内部的传播规律从而推测介质分布规律或内在结构的一种浅层物探方法。探地雷达采用高频脉冲电磁波进行探测，相比较于传统的地球物理方法，其探测过程有更高的效率，探测结果也具有更高的分辨率[1]。正是由于探地雷达技术具有高效率、高分辨率、无损、直观的特点，其在工程探测领域中得到了广泛应用。从目前探地雷达的应用情况看，探地雷达在工程探测领域的应用主要有[2]：公路及铁路工程探测领域、水利工程探测领域、桥梁工程探测领域，如公路铁路路基质量检测、隧道超前地质预报及衬砌质量检测、水利工程隐患检测、桥梁工程结构检测及缺陷评价等。利用探地雷达进行工程领域的探测与评价，可提高工程施工效率，为施工方合理安排施工方案与施工进度起到了指导作用。

1 探地雷达探测原理简介

探地雷达探测系统由发射天线、接收天线和数据存储控制系统构成。探地雷达发射天线发射一定中心频率的高频电磁脉冲，垂直入射到地下各结构层，电磁波会在电性界面及异常体处产生反射，探地雷达接收天线就可接收到不同时间到达的回波，每个回波对应一定深度的结构层界面或目标异常体，在一个测点上得到的一个完整波形，称一个扫描线，包含了对应测点处的反射波的振幅、频率、相位及双程旅行时间等信息。当利用探地雷达进行连续测试时，将每个测点扫描线堆积在一起，就得到连续剖面图，即探地雷达图像(图1)。对原始测量得到的探地雷达图像进行数据处理，并对处理后得到的雷达剖面图像进行分析和数据解释，就可以得电性界面位置、结构层厚度及目标体的分布规律。

图1 探地雷达工作原理示意

2 探地雷达在公路工程中的应用

不论是在公路的建设还是公路的维护阶段，探地雷达都发挥了重要的作用。在建设施工阶段，探地雷达可用于基岩潜水面的确定、断层裂缝的识别、富含水地段的标定以及公路隧道的超前地质预报，为公路的线路设计及施工方案的选取提供资料；在后期验收和维护阶段，探地雷达可用于路基各结构层厚度的检测、隧道衬砌质量检测、公路病害隐患的探测，为公路的施工质量的评价以及后期的维护提供依据。以下就探地雷达在公路工程中的部分应用进行详细说明。

2.1 结构层厚度检测

由电磁波在路面结构层的传播时间和面波结构层内的传播速度可通过公式计算出路面结构层的厚度。因此，厚度检测的关键在于结构层界面的回波时间以及电磁波在结构层传播速度的确定。图2为探地雷达检测路面结构层厚度的原理示意图[3]。图中，A0、A1、A2分别表示电磁波在空气与面层界面产生的反射波波幅、电磁波在面层与基层界面产生的反射波波幅、电磁波在基层与土基界面产生的反射波波幅；从A0到A1波幅的传播时间Δt1即为电磁波在面层中的双程旅行时间，而从A1到A2波幅的传播时间Δt2即为电磁波在基层-中的双程旅行时间。

图2 探地雷达结构层厚度检测原理示意

结构层厚度可按下列公式进行计算：

(1)

式中：H表示结构层厚度，Δt表示电磁波传播的双层旅行时间，c表示光速，εr表示结构层内物质的相对介电常数。

该计算式中主要需要确定的参数为εr和Δt，Δt可根据雷达信号目标结构层上下界面反射波回波时间差确定，而相对介电常数在实际应用中并不能保证是一个定值，可通过反射波波幅的变化进行求取，也可在施工过程中采用介电常数测定仪进行测定，或者对钻孔取芯岩土进行室内速度标定。确定了结构层的双层旅行时间和相对介电常数就可以根据式(1)进行结构层厚度的计算。

2.2 空洞及脱空识别

在公路的长期使用过程中，由于多种因素的作用下，会形成基层与填土层之间的脱空、路面下空洞以及沥青层剥落等影响公路使用寿命的病害，探地雷达可有效的识别这些工程病害。

探地雷达对空洞的识别原理基于空洞介质与周围其他介质存在较大的相对介电常数的差异，空洞在探地雷达剖面图上的异常通常呈现双曲线形态，尤其当空洞中介质为空气且空洞埋深不大时，空洞在雷达剖面图上会出现明显的异常特征。而对脱空层进行识别主要是根据在脱空层上下界面产生的反射波极性发生反转这一原理。如图3所示，左侧图像显示刚性路面下有空隙存在，右侧图像为其对应的反射波波形，其中，反射波 A产生于混凝土与空气界面的反射，反射波 B 是由于空气与基层界面的反射而形成，反射波 C则是反射波A 与反射波B的叠加，在探地雷达仪器上最终显示的波形即反射波 C，由于反射波A与反射波B 的反射系数正负不同,导致两反射波相位(极性)发生反转。确定出反射波的时差，即可通过公式计算空洞的相关参数。

图3 探地雷达进行脱空识别原理示意

2.3 隧道超前地质预报

探地雷达可对隧道施工掌子面前方围岩中的断层、裂缝、破碎带、空洞、地下水等不良地质构造进行预测预报，可为施工方合理安排掘进方案、掘进速度和支护措施提供依据。当隧道前方岩层中由于有断裂、破碎带或空洞等不良地质体存在时，不良地质体与完整围岩间存在较大的电性差异，有明显的介电常数变化，在雷达剖面图上形成反射波同相轴不连续的强反射异常。图4显示的是四川某隧道某处掌子面水平测线反射波波形堆积图像[4]，纵轴距离即代表掌子面深度。从图像可知，纵轴距离0～3 m间图像中有幅度值较强的波形显示，该波形主要包括直达波及震源附近松动区所产生的强反射波，纵轴距离3～11m间，反射波信号较弱，说明该段内岩石相对较稳定，而在纵轴距离11～27 m间，波形出现多组高频强反射波，且其同相轴错乱不连续，说明该段存在多组电性差异界面且不连贯，因此推断该深度范围内围岩岩石节理裂隙较为发育，施工工程易出现落实甚至崩塌等危险，应提前做好应对措施。

图4 某隧道掌子面反射波形图像

2.4 隧道衬砌质量检测

隧道衬砌质量检测的内容包括隧道衬砌厚度、衬砌背后未填实的空区、复合式衬砌间较大的空隙，衬砌混凝土的密室程度等。隧道衬砌厚度的检测原理与结构层厚度检测原理类似，通过确定衬砌中电磁波的传播速度或衬砌介质的相对介电常数和电磁波的双程旅行走时利用式(1)进行衬砌厚度的计算[5]。与结构层厚度检测不同的是，衬砌厚度往往较小，因此尽管可能衬砌与围岩存在较大的电性差异，雷达反射波剖面图上异常显示不是非常明显，需要进行数据处理以及与现场资料对比进行仔细识别。隧道衬砌脱空检测原理与前述公路路基脱空检测原理类似，利用脱空上下两个界面产生的两次强反射波的相关波形特征可确定空洞的分布及其到衬砌外表面的距离。但有时脱空所形成的异常与围岩局部的凸起形成的异常相近，因此确认是否为脱空时，要对异常形态加以细致的分析和确认。在施工过程中应对超挖或坍塌形成的空区进行回填，而探地雷达对回填的密室程度具有明显的相应特征。在回填欠密室区域，探地雷达图像上通常出现反射相位不连续强反射信号，可以此为特征判断欠密室区域进行回填。在利用探地雷达进行混凝土密实度评价时，可根据探地雷达反射波的波形变化特征将衬砌混凝土分为密室和相对不密室。密室时，反射波相位稳定，层内没有强振幅的杂乱反射，而不密室时，反射波振幅变化较大，相位不稳定，波形杂乱。

2.5 钢筋分布及混凝土保护层厚度检测

与探测其他目标体一样，钢筋与周围介质存在的较大的电性差异为探地雷达的探测提供了良好的探测条件。当发射天线发射的电磁波经过钢筋时，会出现较强的反射振幅，反射相位也相对稳定。同时，应该注意探地雷达的中心频率的选取，以防止横向分辨率过低造成相邻目标体识别发生混乱现象。图5为某在建大桥沿桥墩某测线经过数据处理的探地雷达图像[6]，从图5中可以清晰地识别钢筋数量，从而可以与设计数量相比较判断是否符合设计要求，同时可根据反射回波的双程旅行走时和电磁波在混凝土中传播的速度或混凝土的介电常数，利用式(1)可计算出主筋的保护层厚度，从而判断是否符合设计要求。

图5 某大桥沿桥墩某测线探地雷达图像

3 存在的问题及分析

探地雷达在上述众多方面中的应用表明其在地下隐患无损检测及工程质量检测方面具有独特的优越性，并能在相对较差的测量环境中进行探测。同时，与其它地球物理方法相比，其采用高频脉冲电磁波使其具有更高的分辨率。然而，探地雷达在实际使用中仍然存在局限性。首先，探地雷达虽然相比其它地球物理方法操作更便捷，但在某些复杂恶劣环境中施工仍耗时耗力，如在长距离隧道衬砌质量检测中，目前大多是在支撑架进行拱顶的人工质量检测，此方法危险、效率不高，且由于人工原因难以保证雷达数据的质量和连续性；又如铁路路基的检测中，由于铁路路基较长，人工进行探地雷达检测费时费力，若在已通车段进行检测，还存在一定危险性，针对前者，可借鉴机械工程中各种已有便捷结构应用于探地雷达仪器中，既提高检测效率，又实现隧道顶部质量检测资料的连续性；针对后者，可进行探地雷达仪器的智能化研究，实现探地雷达能智能地沿铁路轨道进行连续检测，节约探测时间的同时提高探测效率。其次，探地雷达和其它的地球物理方法一样，存在着分辨率与探测深度的矛盾，针对此矛盾，可进行探地雷达仪器的改革，如提高探测仪器的发射功率和发射效率，降低仪器可接受信号的最小功率；也可借鉴石油物探和军事仪器中的阵列技术将雷达“阵列化”，以求达到探测深度与分辨率的最大平衡以及获取信息数据的最大化。最后，在进行探地雷达的检测时，时常需要更换不同中心频率的探地雷达，由于低频雷达体形较大，更换过程费时，携带也不方便，对此，可探讨探地雷达仪器不同频率天线的集成化，实现仪器的体积减小以方便携带，同时易于更换选择不同中心频率的探地雷达进行检测。

4 结束语

本文主要介绍了探地雷达在公路工程领域中常见的应用，从目前的应用效果看，探地雷达在工程探测领域具有区别于其它地球物理方法的高分辨率、高效率、便捷等优点，取得了较好的应用效果，也在大量不同工程领域中获得了广泛的应用，同时为了达到更精准的解释效果和更高的效率，在探地雷达仪器上还可以进行进一步加深研究，以实现探地雷达探测深度与分辨率的最优化。