07_RIS探地雷达在铁路建筑中的应用

浅谈探地雷达在铁路建筑中的应用

王正成

（中铁十八局集团天津300222）

摘要探地雷达是一种先进的无损检测设备，因其高精度的分辨率，快速的检测方法而迅速的在各个工程行业得到了推广。本文结合笔者使用探地雷达对铁路建筑检测的体会，简单介绍一下探地雷达的应用。

关键词探地雷达、挡土墙、衬砌厚度、空洞

1 引言

探地雷达（Ground Penetrating Radar,简称GPR）是一种新型的无损检测设备，它利用超高频（106----109 Hz）脉冲电磁波探测地下介质的分布情况。探地雷达检测技术具有分辨率高、采集速度快、后期数据处理简便等特点，因此在铁路、公路、建筑、市政、考古等领域得到广泛的应用并受到广大现场技术人员的认可和喜爱。本文结合渝怀线铁路挡土墙和隧道的检测实践，对探地雷达在铁路建筑中的应用作一介绍。

2 工作原理

探地雷达主要由控制单元、天线和界面单元组成，控制单元是雷达的核心部分，它是在计算机的基础上配合信号发生触发器、A/D转换器共同组成。探地雷达工作时向地下发射高频电磁波，当遇到不同介质分界面时产生的回波由天线接收极接收，反射界面的深度可由公式D=V∙∆t/2=C∙∆t/2(ξr ½)求得。（C为电磁波在空气中的介电常数，∆t为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间，ξr 为介质的相对介电常数值）。其中雷达波在不同介质中的传播速度是不一样的，因此我们需要对不同介质的层设置不同的雷达波速，以得到精确的分层厚度值。一般我们采用钻孔取芯的方法或在已知厚度的地方做实验得出真实的波速值。波速值的求法是根据波在介质中的双程走时时间是不变的原理来求得的，即D1/V1=D2/V2=△t,其中，D1为钻孔取芯得到的实际介质分层厚度，V1为我们需要求的雷达波速值，D2为从雷达图上读出的介质分层厚度，V2为在测量前事先设定的雷达波速。雷达工作原理如下图所示：

图1 探地雷达构成示意图图2 探地雷达的分层结果

3工程实例

3.1 探地雷达检测挡土墙质量

3.1.1挡土墙检测方法

本次检测的是渝怀线11个标段的设计高度5米及5米以上的衡重式路基挡土墙，挡土

墙示意图及检测示意图如下：

图3 挡土墙测量示意图

挡土墙是铁路路基的重要防护建筑物，它的质量好坏直接关系到铁路的正常运营。但挡土墙多为隐蔽工程，施工完成后很难从其好看的外表而发现在施工过程中存在的很多工程质量问题，因此，对挡土墙的质量检测成为质检部门的重中之重。探地雷达因无需破坏挡土墙的整体结构，在墙体表面快速扫描之后就可以分析得出挡土墙墙体厚度是否达到设计标准，内部有无空洞及密不密实等情况而得到迅速得推广和应用。墙体测线布置如图3所示，主要分为横向和纵向两个基本测线方向。因为大多数挡土墙下方都被土回填了，所以横向测线往往不在同一标高位置处，而存在着变线的情况，我们可以采用打标的方法假定为一条连续的测线而一次完成，从而加快了检测进度。

3.1.2典型部位雷达图

图4、厚度均匀的挡土墙雷达图 图5、厚度增厚的挡土墙雷达图

图4是沿着浆砌片石挡土墙的一条横向测线扫描得到的雷达图，此位置的挡土墙厚度均匀，没有大的变化，如图4所示，挡土墙的厚度分界面非常明显，厚度约1.3米（可以从雷达后处理软件上直接读出挡土墙厚度）。我们之所以把挡土墙的厚度定在此位置是因为该处有一明显的分界线存在，并且该分界线上下的雷达波形差异较大，上部雷达波形相对细密并存在多个小抛物线，为明显的混凝土雷达波形反应，下部雷达波形相对疏松，为挡土墙后面介质的雷达波形反应。图5是沿着浆砌片石挡土墙的一条竖向测线扫描得到的雷达图，此位置的挡土墙厚度沿着测线前进方向逐渐增加，基本上呈线性变化，如图5所示，在图两侧分别用箭头标示出了挡土墙厚度的起始位置和最后位置。

3.2 探地雷达检测隧道质量

3.2.1隧道检测方法

隧道检测内容一般为衬砌厚度、衬砌内和背后有无空洞、衬砌背后有无脱空、有无片石

回填或不密实等情况。测线位置一般布置在拱顶一条、拱脚两条、边墙两条，共计五条。根据隧道施工工艺特点，边墙部位的工程质量容易得到保证，有时也采用拱顶一条、拱脚两条测线的布线方法进行检测。隧道衬砌检测使用的天线频率因检测精度不同而略有差异，通常采用的有400MHz, 600Mhz 和1600MHz 。目前最为科学的检测方法是使用一个600Mhz 和一个1600MHz 天线组成的天线阵，它具用采集精度高，采集速度快，重量轻便，便于操作等特点。一次扫描即可同时完成对浅部和深部的高精度，高分辨率的检测，1600Mhz 能够高精度高分辨率的检测0—0.5米深度范围内的目标，600MHz 能够高精度高分辨率的检测0.5---2.0米深度范围内的目标，并同时得到三张雷达图。

2典型部位的雷达界面图

图6、衬砌内空洞雷达图 图7、衬砌内异物雷达图

图6雷达图方框内标示的是在深度约30厘米处有一衬砌内部的空洞存在，其雷达波形明显的特征就是有多次反射波存在。图7方框内标示的是在衬砌内部存在一个异物的雷达图，其雷达波形反应强烈，明显异于周围介质。

图8、衬砌不密实雷达截面图 图9、衬砌后脱空的雷达截面图

图8雷达图方框内标示的是衬砌内部及背后不密实的雷达图，其雷达波形相对其它部分来说，信号反应明显强烈，而且该区域内存在很多没有规律的小抛物线。图9雷达图反应的是衬砌后脱空的情况，在雷达图上明显存在一条黑白相间的曲线，这是因为衬砌与空气的介电常数差异较大，雷达波的强半轴和弱半轴所致。

4 结束语

使用探地雷达进行挡土墙和隧道质量检测，不仅检测速度极高，日平均检测长度达到3公里，而且精度很高，数据处理十分方便，满足铁路施工规范的检测精度要求，取得了很好的监督检查作用。探地雷达操作简单，性能良好，使用安全可靠，具有很好的推广应用价值，它不仅可用于挡土墙、隧道的质量检测，还可对铁路路基进行检测和用于隧道超前预报等。