不同频率雷达天线在矿山法隧道检测中的适应性研究

【摘要】探地雷达作为矿山法隧道的一种高效无损的质量检测技术，在地铁矿山法隧道检测中得到广泛应用。通过预制混凝土标准块模拟矿山法隧道衬砌形态来研究探地雷达的检测精度已得到广泛认可。本文采用GSSI公司900 MHz、1.5 GHz天线对矿山法隧道不同工况下的标准块进行數据采集、分析，研究不同频率天线对不同衬砌形态的适用性及检测精度。

【关键词】混凝土标准块；矿山法隧道；天线；检测精度

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.05.050

Study on Adaptability of Radar Antennas with Different Frequencies in Mine Tunnel Detection

SHEN Dongmei

（Sujiaoke Group DetectionAuthentication Co.， Ltd.， Nanjing 211112， China）

Abstract： Ground penetrating radar （GPR）， as an efficient and nondestructive quality detection technology for mining tunnels， has been widely used in subway tunnel detection. It has been widely recognized that the detection accuracy of ground penetrating radar （GPR） is studied by simulating the lining shape of mining tunnel with precast concrete standard blocks. In this paper， GSSI 900 MHz and 1.5 GHz antennas are used to collect and analyze the data of standard blocks in different working conditions of mining tunnel， and the applicability and detection accuracy of antennas with different frequencies to different lining forms are studied.

Key words： concrete standard block； mining tunnel； antenna； detection accuracy

0引言

21世纪以来，城市轨道建设进入高速发展时期，随着地铁建设里程的不断增加，隧道数量也大大增加。为避免开挖、回填对山体及周围环境的影响，在地质较复杂地区，隧道开挖方式常采用矿山法。在矿山法隧道施工过程中，由于施工环境恶劣、施工不规范及施工人员的质量意识较差等因素，衬砌可能会产生空洞、不密实等质量缺陷，影响矿山法隧道施工质量，严重的将影响后期地铁运营安全。因此，对于施工过程中矿山法隧道质量的检测显得尤为必要。

矿山法隧道质量检测常用的方法包括破损法和无损检测方法。破损法采用钻孔取芯方法检测，该方法虽然具有直观性，但一方面对衬砌结构具有破坏性，另一方面只能反映所取衬砌部位的质量，不能全面反映衬砌的施工质量，因此不能全面评估隧道的施工质量。作为无损检测方法代表的探地雷达无损检测技术，采用连续扫描，能够获得衬砌内部质量的连续结果，是一种快速、经济、简便的检测方法，具有检测结果直观，能在较短的时间内完成较大长度的隧道衬砌质量检测等优点，因此在矿山法隧道施工中该检测技术得到广泛的运用。

在探地雷达检测理论研究方面，国内开展的研究相较于国外起步较晚，主要研究集中在对雷达的数值模型模拟以及信号的处理研究等方面。在实验室内采用标准块代替实体进行研究方面，国内许多学者研究了该方法的可行性，模拟试件的检测精度与实际基本吻合。

1探地雷达工作原理

探地雷达通过发射天线向被测物体内发射电磁波，电磁波向被测内部物体传播，当遇到不同相对介电常数的介质时，部分电磁波被反射并被接收天线接收，数据接收后采用后处理软件对其进行分析，通过入射波与接受波频率、振幅、相位等的变化可判断被测物体内的缺陷性质、位置和大小。

2试验目的

为验证不同频率天线所适用的混凝土结构厚度，本文根据南京地铁矿山法隧道二次衬砌标准断面设计参数及常见隧道结构缺陷，制作两种不同的混凝土标准块，并采用两种不同频率天线进行数据采集、分析，得出不同工况下，不同频率天线的适用性及检测精度，从而能够更为合理的选择天线频率。

3试验仪器设备及对象

本试验仪器设备包括：GSSI公司SIR-3000型主机、900 MHz、1.5 GHz天线、FGMOD611测量轮、RADAN 7.4数据处理软件。

结合南京地铁矿山法隧道二次衬砌标准断面设计参数，设计1#、2#混凝土标准块，两块标准块厚度、首排钢筋保护层厚度及内部介质均不同。图1和图2为2片标准块的设计断面图。其中，1#标准块分布两层钢筋；2#标准块分布两层钢筋且布设钢边止水带和孔洞。

4标准块相对介电常数确定

为消除因选取相对介电常数不合适而造成的测量误差，在数据采集工作开始前，采取现场率定标准块的方式，确定被测标准块的相对介电常数值。

在采用探地雷达对标准块进行数据采集时，为突出底界面的反射波，分别在1#、2#标准块底部粘贴金属片，采用不同天线对粘贴金属片的标准块进行数据采集，并对不同天线采集的数据进行后处理分析，经后处理分析得出，1#标准块雷达波双程走时为9.10 ns，2#标准块雷达波双程走时12.79 ns。经计算得1#、2#标准块相对介电常数值分别为10.07、10.22。

5数据采集与分析

5.1数据采集

为验证不同频率天线对于南京地铁矿山法隧道二次衬砌的适用程度，分别采用900 MHz、1.5 GHz天线，对2片标准块进行数据采集及分析。图3、图4给出了不同频率天线扫描1#标准块所得雷达灰度图，图5、图6给出了不同频率天线扫描2#标准块所得雷达灰度图。

5.2数据分析

1）不同天线频率适用性研究

由图3、图4可见，當采用900 MHz、1.5 GHz天线时，1#标准块内部的双排钢筋、标准块底界面均能较为清晰得出。

由图5、图6可见，当采用900 MHz频率天线时，2#标准块内双排钢筋、标准块底界面均能分析得出；当采用1.5 GHz频率天线时，通过滤波、反褶积、局部指数增益等信号处理手段，可识别第二排钢筋，但钢筋灰度图像畸变严重，且标准块底界面无法有效识别。

由以上分析得出：

①矿山法隧道二次衬砌厚度为设计厚度时（35 cm、40 cm），采用900 MHz、1.5 GHz频率天线可满足检测精度要求；

②矿山法隧道二次衬砌厚度较大，如达60 cm时，采用900 MHz频率天线进行检测较为合适；

③对实际厚度不清楚的二次衬砌进行质量检测时，宜优先采用900 MHz频率天线对钢筋位置及衬砌厚度进行摸底，若衬砌厚度在40 cm范围内，可再选择1.5 GHz频率天线进行检测。

2）标准块双排双向钢筋排距值测量分析

采用滤波、背景去除、反褶积、区域增益调整等数据处理方法对1#、2#标准块所采集的数据进行分析，并得出不同频率天线对不同标准块采集的钢筋排距值。表1列出900 MHz、1.5 GHz频率天线对于1#和2#标准块内双排钢筋排距的雷达数据分析值与现场实测值的绝对偏差与相对偏差值。

由表1所列数据分析可得：

1）钢筋间距为15 cm，检测标准块双排双向钢筋时，1.5 GHz天线精度稍高于900 MHz天线；

2）对于厚度在40 cm，排距25 cm的混凝土构件，由900 MHz与1.5 GHz天线得出的数据，其绝对偏差在2 cm范围内，相对偏差在10%范围内；

3）当构件深度由43 cm增大到60 cm时，雷达检测数据绝对偏差与相对偏差均增大；

4）当矿山法隧道二次衬砌厚度较大（60 cm）时，采用900 MHz频率天线进行检测，能满足实际需求。

6结论

本文对混凝土标准块所采集的数据进行分析，测试并计算得到混凝土标准块的相对介电常数，通过对1#、2#标准块雷达扫描数据的分析与实测值进行比对，得出如下结论：

1）对于实际厚度小于40 cm的隧道二衬，优先选用1.5 GHz天线，并通过滤波、反褶积、局部指数增益等信号处理手段分析数据；

2）对于存在超挖现象的矿山法隧道二衬，宜采用900 MHz天线进行数据采集与分析，保证二排钢筋及二衬与初支交界面的可识别性；

3）对实际厚度不清楚的二次衬砌进行质量检测时，宜优先采用900 MHz频率天线对钢筋位置及衬砌厚度进行摸底，若衬砌厚度在40 cm范围内，可再选择1.5 GHz频率天线进行检测；

4）随着钢筋埋深的增大，钢筋排距的分析值与实测值的误差逐渐增大。

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【作者简介】

沈东美，女，1975年出生，高级工程师，学士，研究方向为轨道交通工程质量咨询与检测。

（编辑：谢飞燕）