探地雷达技术中公路工程论文

【摘要】隧道混凝土衬砌质量问题包括塌方、渗水、漏水及开裂等，因此，采用合适的方法对隧道混凝土衬砌质量进行检测是十分必要的。隧道混凝土衬砌质量检测方法有钻孔法、冲击回波法、激光断面仪检测法、超声波检测法及探地雷达法，本文以实际工程为例，重点介绍探地雷达法在隧道混凝土衬砌质量检测中的应用。下面是小编为大家整理的《探地雷达技术中公路工程论文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

探地雷达技术中公路工程论文 篇1：

探地雷达在公路工程检测中的应用研究

摘要：主要对探地雷达在公路工程检测的应用问题进行了研究，首先概述探地雷达技术的发展以及国内外主要的探地雷达，然后分析了探地雷达的工作原理，最后探讨了探地雷達在公路工程检测中的应用。

关键词：探地雷达；公路工程；检测

1 探地雷达的发展现状

1.1 探地雷达技术的发展

探地雷达是一种地球物理探测方法，其主要利用超高频脉冲电磁波进行地下介质的探测。探地雷达的工作原理并不复杂，它利用一根天线向地下发射高频宽带电磁波，并通过另外一根天线接收地下的反射波，信息处理设备对接收反射波的相关数据进行处理，根据处理结果来判断地下的情况。由于地下介质对电磁波具有较强的衰减性，同时地下介质的复杂性和多样性要远远大于地上的空气，所以，电磁波在地下的传播要比在地上传播复杂得多。所以，在探地雷达应用的初期，它主要用于冰层或岩盐矿等介质中，因为此类介质的电磁波吸收较弱，在上世纪七十年代以后，随着高新技术的不断发展以及新材料的不断涌现，探地雷达技术也获得了迅速的发展，探地水平有了很大的提升。到目前为止，探地雷达已经广泛应用到了道路下空洞及裂缝探测、埋设物探测、工程地质探测等多个领域。

1.2 国内外主要探地雷达

西方发达国家在探地雷达方面具有领先个技术和成熟的产品。能够提供探地雷达设备的国家主要有美国和加拿大，美国的GSSI公司可以提供15MHZ到2GHZ的SIR系列探地雷达，并提供相应的数据分析处理软件包；加拿大的SSI公司可以提供EKKO探地雷达系列；美国PENETRADAR公司可以提供IRIS系列路用探地雷达系统，并提供相关的处理分析软件包。随着我国科技实力的不断提升，国内很多研究院所也成功研发出了国产探地雷达设备，比如东南大学的GPR-1型探地雷达，大连理工大学的DTL-1型探地雷达，中科院长春地理所的SI2R型探地雷达，北京爱迪尔公司推出的车载式探地雷达系统已经在国内得到了广泛的应用。

2 探地雷达的工作原理分析

2.1 探地雷达的系统构成

一套完整的探地雷达设备包括多个子系统，具体有主机、发射机、接收机、天线、信号处理等。发射机用来发射雷达信号，首先由控制电路产生脉冲雷达信号，然后由天线将该信号辐射到路面；接收机用来收集反射信号，由于从地下反射的信号比较微弱，所以要采用放大器对信号进行放大，然后再把信号传送给信号处理设备进行处理；天线可以用来发射和接收信号，天线主要分为地面耦合型天线和空气耦合型天线两类；分离器主要用于将发射器和接收器不断地与天线进行联结和切断，这样可以防止接收机的输入元件被发射机的高能输出破坏；信号处理设备主要起到对接收的反射信号进行数据采集、存储、处理以及显示等作用。

2.2 探地雷达的技术原理

探地雷达采用的是电磁探测技术，其依据的是电磁场理论，电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁电磁场场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等。探地雷达应用的基础条件是路面材料的介电常数存在差异，雷达接收的反射波是介电常数的函数，利用不同介质介电常数的差异性，才可能对反射波数据进行分析和判断，从而确定地下介质的具体情况。

2.3 探地雷达的工作原理

探地雷达通过发射和接受高频率、短脉冲电磁波，并对接收的数据进行处理，来推断出地下介质的具体特征。道路可以分为面层、基层和路基三层结构，面层为混凝土时相对介电常数为6-9之间，面层为沥青时相对介电常数一般在3-5之间，基层与路基由于湿度较大，相对介电常数都在8以上，道路各层之间的介电常数差异较大，这为采用探地雷达设备进行公路工程检测提供了可靠的技术支持。探地雷达通过天线将发射器发射的雷达波传送到道路结构层，由于空气的介电常数与路基路面的介电常数具有很大的差异性（空气的介电常数为1，而路基路面远大于1），所以，雷达波的大部分能量都会被路面路基所吸收，同时波的折射角小于波的入射角。雷达波从入射到完成循环的整个过程数据都会由仪器进行记录，通过电磁波的旅行时间、行程和行进速度以后就可以推算出路面和路基的各项具体参数，比如路基的密实程度、材料的厚度以及异常物位置等。

3 探地雷达在公路工程检测中的应用

3.1 厚度检测

根据《公路质量检测评定标准（JTGF80/1-2004）》的规定，高速和一级公路的沥青面层的总厚度允许偏差代表值为-5%h（mm），极值为-10%h（mm）；上面层代表值为-10%h（mm），极值为-20%h（mm），水泥面层代表值为-5mm，极值为-10mm。目前常用的钻孔法有一个明显的缺点，就是会对公路路面产生破坏，所以检测的次数会受到严格限制，而这样又无法保证检测的客观性。探地雷达检测主要是根据电磁脉冲在路面和路基界面的传播速度和传播时间来确定的，作为一种无损探测技术，可以有效的解决上述问题，目前探地雷达设备的厚度检测精度已经可以满足常规的检测要求。德克萨斯交通学院利用探地雷达进行过网络级厚度的检测试验，并对检测数据采用TERRA软件进行了处理，结果显示，检测厚度与实际厚度之间的绝对偏差的平均值为0.75cm，国内的探地雷达检测结果也表明，探地雷达检测误差率一般小于3%，检测结果与钻孔法的结果相一致。

3.2 路下隐患探查

路下隐患往往无法直接观察到，一般是隐患发生了很长时间以后，已经造成了公路损坏才被发现，进行时候修补，这种修补方式不仅成本大、难度高，而且影响公路的正常通行。探地雷达在探测路下隐患中有着得天独厚的优势，可以提早发现公路下面的各类隐患，使公路管理及维护部门能够及早的掌握公路的内在质量和使用寿命，从而制定出相应的维护措施，将重大损坏事消灭在萌芽中，防患于未然。目前，探地雷达在路下隐患探查方面还处于探索阶段，国外在上世纪八十年代初就开始进行了相关的试验，比如从脱空反射回波中提取有效信息，经过数据处理可以发现脱空的位置、深度和大小等数据，也有学者对混凝土路面的缺陷进行了研究，利用0.5-6.0GHz的空气耦合天线对模拟的0.5mm缺陷进行探测，取得较好的结果，随后的现场检测也表明，采用探地雷达进行探查是一个有效的方法。

参考文献

［1］王海东，张梦.夯实水泥土桩桩身完整性探地雷达检测技术试验研究［J］.湖南大学学报（自然科学版），2012，（3）.

［2］徐莹，徐宏武.探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中的应用［J］.土木工程与管理学报，2012，（1）.

［3］孙宇.探地雷达在辽宁普通公路面层检测中的应用［J］.北方交通，2012，（4）.

作者：何刚刚

探地雷达技术中公路工程论文 篇2：

隧道混凝土衬砌质量检测方法

【摘 要】隧道混凝土衬砌质量问题包括塌方、渗水、漏水及开裂等，因此，采用合适的方法对隧道混凝土衬砌质量进行检测是十分必要的。隧道混凝土衬砌质量检测方法有钻孔法、冲击回波法、激光断面仪检测法、超声波检测法及探地雷达法，本文以实际工程为例，重点介绍探地雷达法在隧道混凝土衬砌质量检测中的应用。它是近些年以来在我国工程建设中逐步发展起来的新生技术，但是随着科技的发展，现在已在许多领域得到广泛地应用，并取得了一定的效果。

【关键词】探地雷达技术；隧道混凝土；无损检测

引言

探地雷达是用于探测地下物的一种无损检测技术，国外最早应用于土木工程领域是在1974年。我国自20世纪90年代初开始应用，至今已将近30年。

目前探地雷达被广泛应用于工程建设领域，包括市政、考古、建筑、铁路、公路、环境、地质与水文、电力、采矿等，近年来，在水利工程检测领域的应用也日渐广泛，主要探测混凝土、岩土内部隐蔽物或缺陷等，如输水隧道衬砌混凝土厚度、内部布筋、线缆分布、脱空、振捣不实区及水库、涵闸底板淘空、内部积水、钢筋布置等。

如邓中俊等将探地雷达法应用到水工隧道质量检测中，用于识别隧道中的不密实和空洞、衬砌与围岩间的脱空、围岩的破碎及空洞等，为探地雷达在隧道的质量检测应用提供参考。

一、探地雷达的组成及工作原理

1、探地雷达的组成

一般来说，在目前的探地雷达中它主要是由主机、天线和后处理软件构成。这其中主机起到的作用是帮助实现雷达系统的整个控制、数据采集以及处理和显示。

在我国现阶段的公路工程建设中，由于地下介质情况比较复杂，我们在探测到的数据资料往往要用后处理软件进行运算，以增强异常区域，利于得出准确结论。

2、探地雷达工作原理（下图）

现在的公路探地雷达在使用中，它主要依据电磁脉冲在地下传播的原理进行具体的工作。

当遇到存在电性差异的地下目标时候，电磁波就会发生反射，然后由地面接收天线接收，再通过对接收到的雷达波进行处理分析，形成一定的平面图形，具体如下，我们根据这个参数就可判断地下物体的结构、位置等。

3、探地雷达检测的优越性

由于电磁波脉冲波宽度窄，因此可以获得高分辨率的反射波图像。可以完成水平垂直方向的连续测量，通过高接收效率的雷达天线，距离采样间隔能够到达1cm的精度，这是探地雷达最突出的优点。

探地雷达采用高频发射器，采样和接收时间很短。电磁波通过天线发射出去后，通过空气耦合穿入地下介质，并在介质中传播，当遇到阻抗时，电磁波发生反射与折射，反射电磁波被天线接收，电磁波信号记录在主机电脑中。

检测过程由于天线不需要接触大地，免去了繁琐的前期布线工作，测线布置灵活，探测速度快，极大地节省人力物力。探地雷达采用剖面探测法检测，通过软件数据处理，结果直观反映地下各介质层位的变化规律和分布情况。

4、检测方法

检测时，紧贴混凝土衬砌的表面设置接收天线和发射天线，高频宽带电磁波经由发射天线，进入混凝土衬砌，当电磁波的传播路径受阻时，比如遇到岩石的断裂面、岩石与混凝土的分界面、空气与混凝土的分界面、混凝土的空隙、钢拱架、钢筋等，电磁波产生反射，再经由接收天线，反射信号被接收机接收。

根据电磁波从发射到接收的时间，可以计算出电磁波的单向路程长度，公式如下：

5、检测成果

混凝土衬砌的厚度：研究表明，隧道围岩与混凝土衬砌的介电常数相差很大，因此，在隧道围岩和混凝土衬砌的分界面，电磁波会产生明显的反射现象，按照上述公式，能够得出混凝土衬砌的厚度。

混凝土衬砌的背部空洞：隧道围岩和空气的介电常数差别明显，若混凝土衬砌的背部存在空洞问题，非常容易反映在探地雷达效果图上。

二、探地雷达技术的应用

1、工程概况

本文选择新岭隧道作为研究对象，包括两个双车道分离式隧道，隧道长度约为1423m，隧道的最大埋深约为156m。Ⅱ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为45cm，采用钢筋混凝土；Ⅲ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为40cm，采用素混凝土；Ⅳ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为30cm，采用素混凝土，设计强度均为25MPa。

2、检测准备

探地雷达系统采用美国GSSI公司SIR-2型，发射天线和接收天线的频率为900Hz，如图1所示，在拱顶及距拱顶中心线平距为2m的两边位置布设测线，沿混凝土衬砌表面，采用连续扫描的方式，通过车载天线进行检测。

3、检测结果及验证

探地雷达剖面图如图2、图3所示，分析和处理探地雷达剖面图，对于存在空洞的区域，进行钻孔检测，并比较探地雷达的检测成果及钻孔检测成果，典型地段的测试结果如下。

（1）K207+100～K207+145，Ⅰ类围岩地段，存在多个小空洞，密实程度不满足要求，混凝土的厚度在20～40cm，空洞的高度在10～25cm，其中部分地段的空洞较大，最大可以达到5m，如图4所示。钻孔检测的混凝土厚度为42cm，空洞的高度为24cm。

（2）K207+150～K207+185，Ⅰ类围岩地段，混凝土厚度在15～25cm，空洞高度在20～25cm。钻孔检测的混凝土厚度为24cm，空洞高度为32cm。

（3）K207+195～K207+240，Ⅰ类围岩地段，全段不密实，存在连续小空洞，每個空洞的范围大概为1m，混凝土的厚度在10～25cm，其中，K207+220处空洞最大，可以达到8m左右，空洞的高度在40cm左右，如图5所示。钻孔检测的混凝土厚度为25cm，空洞的高度为39cm。

（4）K207+255～K207+270，Ⅱ类围岩地段，混凝土厚度在15～30cm，空洞高度在15～45cm，空洞范围在5～6m之间。钻孔检测的混凝土厚度为17cm，空洞高度为50cm。

（5）K207+285～K207+310，Ⅲ类围岩地段，混凝土厚度在5～20cm，空洞高度在20～60cm，空洞范围在12m左右。钻孔检测的混凝土厚度为8cm，空洞高度为65cm。

比较探地雷达检测结果和钻孔检测结果，两种方法的厚度检测误差不超过5%，高度检测误差不超过6%，但是，对于配筋区域来说，混凝土衬砌的检测误差稍大，当空洞高度不超过20cm时，需要相应地提高检测精度。总之，在隧道混凝土衬砌质量检测中，探地雷达法可以提供比较准确的检测成果，满足实际混凝土衬砌质量检测的需求。

三、隧道混凝土衬砌质量问题处理方案

根据实际混凝土衬砌的质量问题，以混凝土衬砌厚度不超过5cm为原则，可以采用如下处理方案。

第一，拱顶混凝土衬砌厚度大于设计厚度的70%，可以使用加气小石子混凝土填筑密实；拱顶混凝土衬砌厚度小于设计厚度的70%，Ⅱ类围岩地段，由于采用钢筋混凝土，可以使用同标号的混凝土进行填筑，Ⅲ类围岩地段和Ⅳ类围岩地段，需要将凿除原有的混凝土，再进行重新浇筑作业。

第二，边拱混凝土承受的荷载较大，如果混凝土衬砌厚度小于设计厚度至少5cm时，就必须将原有的混凝土凿除，再使用全新的钢筋混凝土进行浇筑作业。

结束语

本文主要研究探地雷达法在隧道混凝土衬砌质量检测中的应用，结合实际工程，分析和验证探地雷达的检测成果，研究表明，探地雷达法能够满足隧道混凝土衬砌质量检测的要求。

参考文献：

[1]秦存昌.隧道病害的探地雷达图像检测方法研究[D].南昌大学，2014.

[2]李道欣.公路隧道支护质量无损检测技术研究[D].长安大学，2014.

[3]秦伟.高水压山岭隧道衬砌损伤机理与模型研究[D].重庆交通大学，2014.

[4]张小明.水工隧道衬砌结构的缺陷检测及稳定性分析[D].西南交通大学，2014.

作者：董创军

探地雷达技术中公路工程论文 篇3：

浅谈探地雷达在公路检测中的应用

【摘要】探地雷达检测，以其特殊的优势被迅速应用于公路检测。文中主要论述了探地雷达的基本工作原理，方法技术，影响探地雷达测厚精确度的几个主要参量，及它在公路中的应用等。

【关键词】公路；检测；探地雷达

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)勘察方法以其非破坏性探测、抗干扰性强、分辨率高、操作方便等优势，在较短的时间内被迅速推广应用于国内外公路质量检测中。我国自2O世纪9O年代引进探地雷达系统开展在道路、隧道、堤坝，灾害地质调查等方面的应用研究工作，取得了良好的社会效益和经济效益。

1.探地雷达工作基本原理

探地雷达又称地质雷达，由发射和接收两部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(T)组成。通过发射天线电磁波以6O～9O0的波束角向地下发射高频电磁波(106～109Hz)，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线(R)接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端被显示出来。雷达波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。反射脉冲波形的明显程度，是对探地雷达图像进行地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量、波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中传播时的衰减情况。反射特性决定于物性界面的波阻抗差异，以反射系数描述。

2.检测原理及天线频率的选择

2.1探地雷达检测的基本原理

探地雷达是依据高频电磁波传播原理进行工作的，根据电磁波传播理论，电磁波在穿过层状介质时，遇到上下不同介质层，电磁波产生折射与反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，经计算机对接收的信号及信息进行分析处理（电磁波的反射特性仅与介质的介电常数有关）。探地雷达发射的电磁波在地层中传播的过程中，遇到该反射界面就会产生反射波，从而探地雷达根据不同的反射波的振幅、相位及频率特征进行对比，确定路面的结构层厚度及路基病害，公路路基、路面、隧道衬砌的层状结构特点，以及各层不同材料的电磁特性适合于探地雷达的检测，探地雷达不仅可以在公路运营期中检查出多种病害，如路面沉陷、脱空、桥头搭板损坏、路基损坏等，而且还可以在建设时期检测出施工质量，如路面施工中路基、路面厚度，隧道衬砌质量等。此外，对于钢筋混凝土结构物中的钢筋，由于探地雷达在接收钢筋反射的信息时，形成明显的反射与绕射，通过计算机对这些特征的分析，从而确定钢筋在施工中的数量与钢筋的尺寸是否符合设计标准。

2.2天线频率的选择

通常情况下，简易路面厚度为10～20 cm、高等级公路路面厚度为20～30 cm、机场跑道面层厚度为40cm。在检测中需根据检测目标界面的埋深，选择合理的天线中心频率，方可取得最佳效果。天线中心频率的选择要兼顾目标深度、目标最小尺寸以及天线尺寸是否符合场地需要。在满足分辨率且场地条件许可的情况下，应尽量选择中心频率低的天线。

3.影响探地雷达测厚精确度的几个主要参量

探地雷达能否用来检测厚度，精确度能否达到规定的要求，一直是人们关心的问题。因对电磁波理论的掌握以及计算机技术的成熟，使得应用探地雷达检测路面厚度的精确度完全可以满足规定的要求。作为探地雷达，应正确的操作，合理的使用，综合的分析，以减少误差，达到规定要求的精确度。应用探地雷达进行检测时，首先要调整好波形，选择适当的时间窗口、步长(测点距)等，以获取最佳信息。有了全部信息，要从中提取出路面的真实厚度值，必须确定以下几个主要参量，能否正确地确定这些参量，会直接影响探测厚度的精确性。

3.1确定底界面的回波

由于目前还不能从原始波形中直接精确区分路面与路基界面的反射回波，因此，如何提取界面回波信号是解决问题的核心。鉴于大部分和主要的干擾波都是相对固定的，因此可以用相关分析的方法来抑制干扰波或杂波。利用一个不含界面反射信号的回波信号与含有界面反射信号的回波信号进行相关分析，就可以得到一个比较准确的底界面回波信号，从而确定底界面回波时间。在实际操作时，就是将路面结构中的最厚点作为参考点。参考点的选择，最简单的方法是从探测图像上寻找，可以多找几个点进行对比，直至底界面回波信号显示清晰满意为止。参考点也可以通过探测的波形分析来确定；或选用已有钻探的最大厚度的探测点作为参考点。

3.2确定地面零点

有了底界面的回波时间，还必须正确判定地表面的位置，才能确定电磁波在面层中的实际传播时间。地面零点判断不正确，就会直接影响厚度值的读数。因此，在探测前，可以先把一块金属板放在收发天线下面，这时显示屏上得到的是一个很强的全反射波形；拿掉金属板，显示屏上出现雷达波对路面的反射波形；这两种波经过相关对比分析，很容易确定地面水平零线反射波的位置。

3.3标定路面的介电常数

设定合适的路面介电常数是保证路面厚度值探测精度的关键参数，由于介质的介电常数受很多因素的影响，如路面材料、结构变化、施工工艺，密实程度、含水量等，各探测点的介电常数会出现差别。为了保证检测结果的有效性和可信度，必须进行标定通常采用的是钻孔取样。取样点的选择可以在探测图像中寻找比较均匀、有代表性的地段以及面层最厚和最薄的特殊点，这样，可以从多方面进行标验，选择出最合适的介电常数值。这种方法，厚度检测的效果良好，探测精度误差可控制在±5％ 以内。如果在某一路段检测的结果很好，而在另一路段出现数据不准时，有可能是路面结构、配料等发生了变化，这就需要调整介电常数的数值。

4.探地雷达在公路工程中的应用

路用探地雷达具有无损、快速、连续、高精度、高分辨率、实时成像探测等特点，它在精确检测路面层厚度的基础上，可以成功地探测公路结构层病害，有利于公路的维护与保养，为交通部门提供了一种高效先进的无损检测手段。路用探地雷达以其独特的优越性，己经渗透到公路施工及后期检测养护的全过程中，在公路建设前期可利用探地雷达对地质基础进行勘查探测，确定地质结构，划分不良地质体；在施工过程中，利用探地雷达可以全面准确地检测出路面结构层厚度，从而保证施工质量；在公路运营阶段，运用GPR进行公路日常检测，及时发现各种隐患，对于指导公路养护维修，延长公路使用寿命具有重要意义。

探地雷达在公路工程中的应用最初是作为测量路面层厚的工具而出现的，随着探地雷达应用技术的发展成熟，GPR在公路质量控制及病害检测方面都取得了一定成效。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。导电率越高，穿透深度越小，频率越高，反之亦然。对于公路检测而言，水泥混凝土面层的导电率高于沥青混凝土面层的导电率，因此相同频率的雷达波在沥青混凝土面层中的穿透能力大于在水泥混凝土面层中的穿透能力。在实际检测工作中，探测沥青混凝土面层应使用频率大于1200MHz的天线，而对于水泥混凝土面层2500MHz天线一般难以穿透，只能使用900～1000MHz的天线；探测基层可使用频率为800～1000MHz的天线，探测路基可使用频率为300～900MHz的天线。

为减少检测误差，应尽可能多做对比、分析，排除异常，以取得最佳效果，共同提高我国的公路检测技术和工作水平。

【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］王国群．探地雷达技术在公路工程检测中的应用[M]．江苏交通工程，1996(4)．

［３］王永，谭春，曾来．地质雷达方法在城市地下建(构)筑物权属调查中的应用[J]．上海地质，2004(4)：45-47．

作者：李庆