维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８ ＮＯ．０３ 百 夏 ｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 高新技术 探地雷达技术应用 邱铭 （浙江省丽水市公路质检站 浙江丽水 ３２３０００） 摘要：在实际的工作过程中，作为新型无损检测设备，探地雷达因具有携带方便、非破坏性、检测快速、精度高等特点，越来越受到 广大技术人员的青昧。本文就探底雷达的一些主要的用途进行了简要论述，并初步介绍了探地雷达的工作原理。 关键词：探地雷达 隧道 质量检测 中图分类号：ＴＮ９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：Ｉ ６７４—０９８Ｘ（２００８）０ｌ（ｃ）一０００２—０２ １探地雷达技术的概述 雷达法检测技术是新兴的建设工程无损 检测技术。雷达（ＲＡＤＡＲ）一词最早出现于 军事，是“无线侦察与定位”的缩写，意即 利用无线电波发现并测定其位置的设备。 术检测具有近８０年历史的纽约地铁通道结构 ４８０ｍｍ的玻璃钢壳体发动机进行检查，壳检 出最小直径为４５ｍｍ、相邻距离４０ｍｍ以上 的缺陷；１９９０年机电部上海材料研究所白宝泉 等研制出９６Ｈｚ检测装置，采用楔形介质天线， 实现近场检测，可检出直径２ｍｍ的球孔，横向 究所运用微波散射法检测金属表面裂纹，当裂 ％。 穿透导电性好的材料。 由于雷达波对物体的电磁特性敏感，因此 其主要用途在于探测被测物的结构组成、内 部缺陷等，例如市政建设中可采用雷达波技术 查明地下管线（如水管、煤气管等）的分布，探 道、铁路路基、桥梁、隧道及大坝等混凝 构中的孔洞 剥离层和裂缝等缺陷损伤的位 置和范围。这类探测深度可达３～１０ｍ，有较 雷达波检测具有如下技术特点： （１）对混凝土有很强的穿透能力，可测较大 （２）可实现非接触探测，可作实时检测，探 Ｉ ９８５年，美国采用线性调频脉冲雷达技 分辨率为２．５ｍｍ｝１９９０年能源部苏州热工研 测浅层的地层结构，用于高速公路、机场跑 完整性，发现雷达可穿透６～８层、厚约２８～ ３１ｃｍ的水浸饱和砖，探出原隧道的钢铁护套， 还能发现混凝土地板下的空洞。从此，将微 缝深度在０．０１～６．３ ｍ时，测量误差小于２ 土工程的质量验收和日常维护，探测混凝土结 ２０世纪９０年代，我国亦开始了地质雷达 波检测技术引入了工程建设领域。１ ９９４年， 时也适用于公路路面检测。２０世纪９０年代日 土内部雷达探测仪。 （或称探地雷达）的应用研究。上海同济大学 高的分辨率。 桩、古河道、暗河等，取得良好效果；交通部 路路面检测，９０年代国内多家单位从日本ＪＲＣ 美国地球屋里公司发明了ＳＩＲ地质雷达仪，同 采用地质雷达探测地下管线 旧建筑混凝土 本雷达仪器公司（ＪＲＣ）研制开发了一系列混凝 门引进了多台ＳＩＲ １ＯＨ地质雷达仪，用于公 深度。 ， 频率高于２０ＧＨｚ的微波关键器材由于军 公司引进了ＪＥＪ ６０ＢＦ雷达仪，用于探测钢筋 测速度快。 事原因受到“巴黎统筹委员会”限制，难以 混凝土结构内部钢筋和缺陷的分布。 从国外直接引进，所以国内于２０世纪７０年代 雷达波是频率为３００ＭＨｚ ３００ＧＨｚ的微 才开始微波检测技术的研究，且主要应用于航 波，属于电磁波，其真空中相应的波长为ｌｍ～ 空航天领域。１９８８年我国航天部二院２０３所 ｌｍｍ，在电磁波谱上处于远红外线至无线电短 （３）以减小波长和增大频率宽度，实现高分 辨率的探测。 （４）微波有极化特性，可确定缺陷的形状和 取向。 研制出２ Ｃｍ频域干涉仪探测系统，对直径 波之间。当波长远小于物体尺寸时，微波的 传导和几何光学相似，即在各 当前，ＩＲＩＳ型路面雷达的速度≥８０ｋｍ／ ｈ，作５０～１００次／秒扫描，连续４ｈ工作可检 发射天线 接收天线 向同性均匀介质中具有直线 测路面３２０ｋｍ，采样速率达４０ｋＨｚ，可实时直 传播，反射折射的性质。当 接数字化存盘，能作实时包括检测数据，分析 波长接近物体尺寸时，微波又 程序以彩色剖面图、三维厚度剖面 波形、 有近于声波的特点。 剥离层等显示，可做告诉行驶下非破损非接 雷达法检测技术就是以 触，不受气候气温限制的探测。 微波作为传递信息的媒介，根 据微波传播特性，对材料 结构和产品的性质、缺陷进 行非破损检测与诊断技术。 ２探地雷达的工作原理 探地雷达是最早应用于工程检测的雷达 检测技术。探地雷达简称ＧＰＲ，也称地质雷 图１探地雷达探测原理示意图 微波对电磁衰减大的非金属 达，是一种对地下的或物体内不可见的目标或 材料具有较强的穿透能力，不 界面进行定位的电磁技术。其工作原理为， 高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线 被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层 或目标体反射后返回地面。由接收天线接 收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁 场强度与波形将随所通过介质的电磁特性和 几何形态而变化，所以对接收信号进行分析处 理，可判断地下的结构或埋藏物等。探地雷 达的检测原理如图１ 根据发射信号与接收信号的时间差△ｌ７’， 以及电磁波在地下的传播速度 ，可以算出反 射所处的深度Ｄ：Ｄ＝ｌ／２ｖＸ△Ｔ 因此，习惯上把雷达检测称为“时距法”。 由于地下地层成分结构复杂，而且一般含有较 ２ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 维普资讯 http://www.cqvip.com 高新技术 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎＯＩＯｇｙ Ｉｎｎｏｖａ 多水分，因而为提高穿透能力，一般采用频率 少部分渗到路面介质中，特别是在退出坡道处 源调查方法。这种探测不使用船，而是将雷 较低的雷达波，其频率最低的为（５ Ｏ～ 弱，但分辨率越高。 雷达反射波和透射波的幅度变化与微波 于布儒斯特角 时： 出现大面积裂缝密集区，在慢车道出现斑状裂 达用钢索吊在河面上，横跨河流断面移动，测 量河床界面反射，确定河流断面水深度分布， ④工程地质勘查 ＩＯＯＭＨｚ）。电磁波的频率越高，其穿透能力越 隙带，而外车道和内车道稍好。 同时可以利用１ ＯＧＨｚ频率天线测量河面水流 错。 由于不同的地层介电常数不同，对雷达波 速度，计算和水流量，现场检验效果相当的不 征，可以利用雷达波探测地层分类，了解地下 基岩等持力层的位置。特别是在基岩面起伏 剧烈、破碎带又相对发育的地区，单纯依靠 合钻探、探地雷达能给出整个地层的剖面 图，查找出基岩破碎带。在软土地基工程勘 的极化特性有关，在平行极化时，当入射角 等 反射强度也不同，因而具有各自的雷达波形特 目前，探地雷达方法已经在该领域内取得 了一定的进展，相信随着工作的逐步开展和研 ｃ＝｛＝ ＝ｓｉｎ 式中 、 为介质的介电常数。 入射的微波则产生全投射，而没有反射， 使用这个重要特性，可减少微波在探测表面的 究的进一步深入，探地雷达方法必将在该领域 工程钻探显然不能满足工程设计的要求。结 内发挥越来越重要的作用。 参考文献 能量损失。电磁波在地质中传播有两个“频 率窗口”传播能量损失较小，即１０ｋＨｚ，以下 的低频窗和几十兆赫兹以上的高频窗。 雷达波最大探测距离与地层的电子特性 密切相关，设理论上最大可达到３０ｍ，考虑各 种因素引起的散射，实际上地层中１０米以内的 目标可能探测到。 ３雷达法检测技术的应用 雷达法检测技术有广泛的用途，探地雷达 在建筑结构、道路桥梁、地质勘探、市政 管线甚至考古刑侦等方面都有用武之地。 ①路面测厚 路面厚度检测是公路检测的主要内容之 一一。般简易路面厚１００～２００ｍｍ，高等级公 路路面厚２００～３００ｉｎｉｎ，机场跑道路面厚 ４００ｍｍ，这就要求公路路面厚度检测有较高的 分辨率，误差小于１０ｍｍ。 雷达测厚是利用电磁波在不同介质界面 处的反射一折射、其原理如图１所示。对于 ２００ｍｍ厚度以上的混凝土或沥青路面，检测精 度达到１０ｍｍ以内，则探地雷达使用９００Ｍ：Ｈｚ 以上中心频率的天线。 ②路面与路基缺陷检测 公路在修筑过程中对路基进行处理，随着 公路投入使用，路基介质经历压实或外来扰动 的影响，使原来软弱地基发生变化，这类缺陷 会引起公路陷落，造成事故。监测这类软弱 地基的变化，将有利于提高公路运输的安全 性。雷达路基测损原理也是雷达波的反射一 折射， 由于路基一般在地下８～１０ｃｍ，为了达到 这一探测深度，并且具有一定的分辨率（直径 ０．５ｍ以上的土洞），一般选用１ｏ０ＭＨｚ天线。 见图２。 ③路面与路基裂缝调查 路面与路基微裂缝的存在是公路老化的 标志，微裂缝的存在形成了雨水通道，渗入路 面下的水流会加速路面的损坏，因此调查路面 微裂缝及其延伸情况也是公路无损检测的一 个重要内容。根据美国、加拿大所做的检测 工作，微裂缝主要存在于细粒状路基介质中， 察中，探地雷达可以用来确定地层中暗河、 【１】许绛垣．岩爆灾害及其防治【Ｍ】．地质勘探 古河道等特殊地质现象。 安全【Ｍ】，１９９８．１，３２－３５． ⑤城市顶管工程和隧道施工 【２】周德培，洪开荣．太平驿隧洞岩爆特征及防 随着市政建设的发展，非开挖施工（如顶管 治措施．岩石力学与工程学报【Ｍ】，１９９５．６ 工程、盾构施工）愈来愈多。迅速、紧缺地 １７１ １７８． 查清施工前方的暗河、管线（特别是较深的 【３】胡夏嵩，赵法锁．低地应力区碎裂结构围岩 污水管）、Ｉ１３基础等地下障碍物的分布具有 基本特征研究．工程地质学报ｆＭ】．２００４，１２ 重要意义。这是因为暗河多为淤泥沉积物， （４）：３９６－３９８ 液化态势高，在地下顶管施工中受到扰动，饱 【４】李攀峰，张倬元，陶连金．某大型地下洞室 和孔隙水释放使淤泥塌陷造成地面变形、路 群围岩稳定性分析和研究．工程地质学报 面破损；在施工中打断管线，会造成停水、断 【Ｍ】．２００４，１２（１）：２５－３０． 电、污水横流等事故；大量的旧基础会造成 【５】刘源昆，罗超文，尹健民．西部地应力测量 施工中断，延误工期。可以说，除了探地雷 与岩爆分析．岩土力 Ｍ】，２００３．３，Ｐ９４－ 达，目前尚无别的有效方法来确定地下障碍物 Ｐ９５． 的位置。 【６】李大心．探地雷达方法及应用［Ｍ】．北京：地 ⑥桥梁施工中的应用 质出版社，１９９４． 我国桥梁施工中，桥墩均使用桩基础，大 【７】李志顺．地质雷达探测技术在铁路工程质 １：３径钻孔灌注桩作为高层建筑基础和桥墩基 量检测中的应用【Ｊ】．北京：铁道勘察， 础越来越引起重视。由于钻孔灌注桩截面积 ２００４．６３—６４． 大，承受荷载大，且多为一柱一桩直接影响其 【８】刘勇．桩底岩溶的地质雷达探测【Ｊ】．勘察科 上部结构，故对其质量要求严格。在桥梁建 学技术，２００３（４）．５４－５７，６０． 设中，桩基础的质量问题常常造成桥梁隐患。 【９】赵明．高分辨率地震反射波法探测岩溶的 ⑦在防治地质灾害方面的应用 应用【Ｊ】．广东地质，１９９７，１２（１）：７１—７６． 土木工程施工过程中，经常会遇到各种不 同类型的地质灾害，这一方面是由于人们对地 质情况不了解或不完全了解，另一方面是由于 对地质问题处理不当而造成的。地质灾害所 导致的后果将会对社会和经济产生严重的影 响，因此必须对施工过程中地质灾害的防治引 起足够的重视。常见的地质灾害主要有：滑 坡、崩塌、泥石流、地面沉陷、水土流失 和特殊土灾害等。利用哪种方法来预报和防 治这些地质灾害一直是相关领域的研究人员 所密切关注的问题。 ⑧金属矿化带的勘察 对于浅表的金属矿化带、断层蚀变带， 可以利用探底雷达进行探测，矿化带金属及氧 化物、硫化物富集，电磁性质差异明显，电磁 波反射明显，可以为寻找隐伏矿体提供参考。 ⑨地表水资源调查 利用探地雷达调查和水的深度、流速， 评估水资源是现在西方使用较多的一种水资 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ３