论文部分内容阅读
摘要：文章从理论出发对探地雷达进行公路隧道检测的相关参数进行研究，在此基础上结合实践经验对常用参数进行了总结，从混凝土龄期与雷达脉冲子波响应关系的角度对检测时机进行了研究，并结合工程经验总结了在隧道检测中存在的一些问题。
关键词：探地雷达；雷达检测；公路隧道；参数研究
中图分类号：TU959 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0042-03
在当今对公路隧道一系列参数的检测主要方法是探地雷达，简称GPR，即Ground Penetrating Radar，探地雷达是一种光谱的电磁技术（频率是1MHz～1GHz），它的作用是用来确定地下的一些介质的分布情况。从探地雷达的频率范围来看，它是利用电磁波的高频性能对地下介质进行探讨。在对地下介质进行探讨时传播的速度快慢取决于介质的不同。探地雷达利用电磁波的传播和反传播来确定地下介质的种类，因为不同的介质在相同频率电磁波情况下传播的速度是不一样。
1 检测参数研究
1.1 传播速度
常用介质中电磁波传播速度如表1所示：
1.2 分辨率
1.2.1 垂直分辨率。假定发射天线发射出的脉冲宽度为t（单位：ns），一般可认为天线的中心频率fc=1/t。若在同一垂直方向上有两个反射界面，反射界面的深度相距d，由上式可得，地质雷达要在空间上分辨出两个目标的回波信号，必须满足：
即：
电磁波的波速定义是按照脉冲信号频率相对的电磁波的介质波长，那么有关地质雷达的垂直分辨率为：
由此可见，天线中心的不同频率地质雷达，有关它的垂直分辨率也是不一样的。
1.2.2 水平分辨率。水平分辨率是指地质雷达在对地下介质进行检测时，它在水平方向能够分辨处的水平最小距离。因为Fresnel带的不同，当两个有限异常体的间距小于Fresnel带直径的1/4时，则不易把这两个目标体区分开。
地质雷达的子波的波长表示的是地质雷达在水平方向的分辨率，也是地下不同物体的所在位置的深度，为第一Fresnel带直径。从上面式子中的参数可以知道，影响地质雷达水平分辨率的关键因数有两个方面：一个是介质的不一样，还有一个就是所要检测的深度。当深度一样的时候，电磁波在介质传播的速度越快，那么它的水平分辨率就越高。
1.3 频率选择
根据隧道工程实际情况，隧道质量检测天线中心频率选择400～800MHz即可满足上述要求，假设为800MHz天线，εr =6.4，μr=1，根据上述内容可计算得：其垂直分辨率=0.074m，在不同目标深度处的水平分辨率如表2所示。
在对公路隧道衬砌质量的测量中，可近似地认为，水平分辨率为目标深度的1/15～1/5。
在一般没有导电层的地理环境下，天线频率和深度/分辨率的经验关系如表3所示。
1.4 采样时窗长度
从地质雷达开始采取数据的那一刻开始，一直到完成数据的采集，这中间的这一时间段就叫作采样时窗。决定它的长度的因数主要有两个方面：一方面是电磁波在不同介质中传播的速度v，单位是m/ns。另一方面是探测的深度d，单位是m。假如已知这两个方面的元素，就可以根据公式来计算出采样时窗的长度。在不同目标深度处的采样时窗理论计算值如表4所示。
1.5 采样率选择
所谓的采样率指的是一段时间间隔。这段时间间隔是从采样点到接收点的时间间隔。从尼奎斯特总结得出的规律中可以看出，采样率必须遵守采样定律，而按照规定，采样率中记录的反射波频率不能低于最高频率的两倍。在一般情况下，采用天线中心频率六倍来把采样率完整记录下来。
2 检测方法研究
2.1 测线布置
在对隧道的检测过程中质量性和完整性是最重要的两点，所以按照在检测前进行的实验分析得出的结论可以来这样布置；在隧道一次衬砌的纵向上，两边的墙上布置两条测线，隧道的顶部布置一条测线，顶部和边墙之间布置两条测线。在一些有必要的地方也可以布置环形的并且是横向方向的测线。
2.2 采样时机选取
硅酸盐的主要作用就是把混凝土開始浇筑的时候来胶凝，形成半固体并且是呈现可塑性状态的凝胶。混凝土的水泥水化胶体会随着混凝土的龄期的改变而使得它的力学性能也相应地改变。随着时间的加长，胶体的力学性能会变得越来越差，这是因为水泥内部的水化变得不是那么的容易了。在经过一段时间后，水泥石就会发生硬化，这样的水泥石包含了凝胶体，为水化的内核以及毛细孔。它们的组成成分会随着时间的变化而发生变化，这样的变化也会随着时间的推移而慢慢减缓下来。所以根据地质雷达检测的工作原理就可以得出混凝土会对地质雷达检测出的结果产生很大的影响。表6是不同时期雷达测得混凝土反射的频谱波特征值。从表6可以看出，龄期越大反射的频谱波特征值就越大。
由此可见，不同时期的混凝土利用地质雷达检测得到的结果是不一样的。这是因为不同时间段的混凝土的结构质量是完全不一样的，所以利用电磁波对其进行检测时会得到不一样的结果，从上面检测的结果来看，一般情况下我们选择的检测的时间是混凝土龄为六十天的时候。
3 需要注意的问题
实践证明，选择正确的参数与检测方法，地质雷达对隧道结构的检测结果是可靠准确的，下面是一些测量时需要注意的问题：
（1）在测量中，如果雷达的波长误差达到了5～6cm，那么这肯定是由于二衬表面的位置搞错了。因为在正常的情况下800MHz屏蔽天线发射的雷达波波长约为0.06～0.08m，按照我们实际测量的经验，一般情况下测量波的第一个高峰出现在二衬表面的位置处。
（2）在地质雷达测量的时候，它利用的是高频率的电磁波，如果检测的时候碰到金属情况，电磁波频率会发生全反射的情况，有相当一部分的能量在被反射的时候会被本身设置的天线所接收，但是其他的一部分能量会被直接反射到混凝土的钢筋处。这样由地质雷达发送的能量就会徘徊在天线和混凝土里的钢筋之间，这样就会对检测的结果造成很大的影响。因为检测结果的不一样，对于埋深超过30cm的钢筋，间距小于20cm时难以分辨。
参考文献
[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版
社，1994.
[2] 交通部重庆公路科学研究所.公路隧道施工技术规范
[M].北京：人民交通出版社，1995.
[3] 夏才初，潘国荣，等.土木工程监测技术[M].北
京：中国建筑工业出版社，2001.
[4] 汪谋.影响地质雷达探测效果因素的研究[J].西部探
矿工程，2007.
作者简介：汪勃（1982-），男，江西上饶人，长沙理工大学在职研究生，江西省天驰高速科技发展有限公司工程师。
关键词：探地雷达；雷达检测；公路隧道；参数研究
中图分类号：TU959 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0042-03
在当今对公路隧道一系列参数的检测主要方法是探地雷达，简称GPR，即Ground Penetrating Radar，探地雷达是一种光谱的电磁技术（频率是1MHz～1GHz），它的作用是用来确定地下的一些介质的分布情况。从探地雷达的频率范围来看，它是利用电磁波的高频性能对地下介质进行探讨。在对地下介质进行探讨时传播的速度快慢取决于介质的不同。探地雷达利用电磁波的传播和反传播来确定地下介质的种类，因为不同的介质在相同频率电磁波情况下传播的速度是不一样。
1 检测参数研究
1.1 传播速度
常用介质中电磁波传播速度如表1所示：
1.2 分辨率
1.2.1 垂直分辨率。假定发射天线发射出的脉冲宽度为t（单位：ns），一般可认为天线的中心频率fc=1/t。若在同一垂直方向上有两个反射界面，反射界面的深度相距d，由上式可得，地质雷达要在空间上分辨出两个目标的回波信号，必须满足：
即：
电磁波的波速定义是按照脉冲信号频率相对的电磁波的介质波长，那么有关地质雷达的垂直分辨率为：
由此可见，天线中心的不同频率地质雷达，有关它的垂直分辨率也是不一样的。
1.2.2 水平分辨率。水平分辨率是指地质雷达在对地下介质进行检测时，它在水平方向能够分辨处的水平最小距离。因为Fresnel带的不同，当两个有限异常体的间距小于Fresnel带直径的1/4时，则不易把这两个目标体区分开。
地质雷达的子波的波长表示的是地质雷达在水平方向的分辨率，也是地下不同物体的所在位置的深度，为第一Fresnel带直径。从上面式子中的参数可以知道，影响地质雷达水平分辨率的关键因数有两个方面：一个是介质的不一样，还有一个就是所要检测的深度。当深度一样的时候，电磁波在介质传播的速度越快，那么它的水平分辨率就越高。
1.3 频率选择
根据隧道工程实际情况，隧道质量检测天线中心频率选择400～800MHz即可满足上述要求，假设为800MHz天线，εr =6.4，μr=1，根据上述内容可计算得：其垂直分辨率=0.074m，在不同目标深度处的水平分辨率如表2所示。
在对公路隧道衬砌质量的测量中，可近似地认为，水平分辨率为目标深度的1/15～1/5。
在一般没有导电层的地理环境下，天线频率和深度/分辨率的经验关系如表3所示。
1.4 采样时窗长度
从地质雷达开始采取数据的那一刻开始，一直到完成数据的采集，这中间的这一时间段就叫作采样时窗。决定它的长度的因数主要有两个方面：一方面是电磁波在不同介质中传播的速度v，单位是m/ns。另一方面是探测的深度d，单位是m。假如已知这两个方面的元素，就可以根据公式来计算出采样时窗的长度。在不同目标深度处的采样时窗理论计算值如表4所示。
1.5 采样率选择
所谓的采样率指的是一段时间间隔。这段时间间隔是从采样点到接收点的时间间隔。从尼奎斯特总结得出的规律中可以看出，采样率必须遵守采样定律，而按照规定，采样率中记录的反射波频率不能低于最高频率的两倍。在一般情况下，采用天线中心频率六倍来把采样率完整记录下来。
2 检测方法研究
2.1 测线布置
在对隧道的检测过程中质量性和完整性是最重要的两点，所以按照在检测前进行的实验分析得出的结论可以来这样布置；在隧道一次衬砌的纵向上，两边的墙上布置两条测线，隧道的顶部布置一条测线，顶部和边墙之间布置两条测线。在一些有必要的地方也可以布置环形的并且是横向方向的测线。
2.2 采样时机选取
硅酸盐的主要作用就是把混凝土開始浇筑的时候来胶凝，形成半固体并且是呈现可塑性状态的凝胶。混凝土的水泥水化胶体会随着混凝土的龄期的改变而使得它的力学性能也相应地改变。随着时间的加长，胶体的力学性能会变得越来越差，这是因为水泥内部的水化变得不是那么的容易了。在经过一段时间后，水泥石就会发生硬化，这样的水泥石包含了凝胶体，为水化的内核以及毛细孔。它们的组成成分会随着时间的变化而发生变化，这样的变化也会随着时间的推移而慢慢减缓下来。所以根据地质雷达检测的工作原理就可以得出混凝土会对地质雷达检测出的结果产生很大的影响。表6是不同时期雷达测得混凝土反射的频谱波特征值。从表6可以看出，龄期越大反射的频谱波特征值就越大。
由此可见，不同时期的混凝土利用地质雷达检测得到的结果是不一样的。这是因为不同时间段的混凝土的结构质量是完全不一样的，所以利用电磁波对其进行检测时会得到不一样的结果，从上面检测的结果来看，一般情况下我们选择的检测的时间是混凝土龄为六十天的时候。
3 需要注意的问题
实践证明，选择正确的参数与检测方法，地质雷达对隧道结构的检测结果是可靠准确的，下面是一些测量时需要注意的问题：
（1）在测量中，如果雷达的波长误差达到了5～6cm，那么这肯定是由于二衬表面的位置搞错了。因为在正常的情况下800MHz屏蔽天线发射的雷达波波长约为0.06～0.08m，按照我们实际测量的经验，一般情况下测量波的第一个高峰出现在二衬表面的位置处。
（2）在地质雷达测量的时候，它利用的是高频率的电磁波，如果检测的时候碰到金属情况，电磁波频率会发生全反射的情况，有相当一部分的能量在被反射的时候会被本身设置的天线所接收，但是其他的一部分能量会被直接反射到混凝土的钢筋处。这样由地质雷达发送的能量就会徘徊在天线和混凝土里的钢筋之间，这样就会对检测的结果造成很大的影响。因为检测结果的不一样，对于埋深超过30cm的钢筋，间距小于20cm时难以分辨。
参考文献
[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版
社，1994.
[2] 交通部重庆公路科学研究所.公路隧道施工技术规范
[M].北京：人民交通出版社，1995.
[3] 夏才初，潘国荣，等.土木工程监测技术[M].北
京：中国建筑工业出版社，2001.
[4] 汪谋.影响地质雷达探测效果因素的研究[J].西部探
矿工程，2007.
作者简介：汪勃（1982-），男，江西上饶人，长沙理工大学在职研究生，江西省天驰高速科技发展有限公司工程师。