天線極化模式對鋼筋混凝土結構探測效果研究

張家松，胡 濤，肖 戈

(1.湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410208； 2.現代投資股份有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

橋梁、隧道等大型構筑物施工質量是否符合設計和規范要求，是其安全運營和耐久使用的基本保障。結構混凝土施工主要以隱蔽施工為主，地質雷達作為一種常用無損檢測技術，在鋼筋結構混凝土質量檢測過程中具有十分重要的作用；不僅可以應用于運營期鋼筋結構混凝土工程質量檢測，還廣泛應用于在建工程施工質量全過程控制。橋梁、隧道等大型構筑物主要采用素混凝土或鋼筋混凝土結構，混凝土結構中的鋼筋數量、厚度、密實度等是結構質量檢測的主要控制參數。素混凝土結構中的目標體判別相對比較簡單，鋼筋混凝土結構中雙層鋼筋網排列密集，由于鋼筋的散射作用，地質雷達電磁波信號很難穿透雙層鋼筋網得到深層目標體清晰的反射信息，甚至可能完全淹沒在鋼筋反射背景場中，導致目標體信息的漏判或誤判，嚴重干擾了檢測數據的分析和判斷。

地質雷達偶極子天線由于具有極化特性和對目標體的電磁散射特征，因此合理地利用天線與天線、天線與目標體的極化特性，不僅可以有效降低淺層鋼筋反射信號的干擾，還能突出鋼筋背后深層目標體的反射信息，諸多科研工作者和檢測技術人員為此進行了大量的數值模擬、室內試驗和應用實踐研究。鄭龍金等[1]對不同雷達極化波條件下的隧道二次襯砌異常的響應特征進行了數值模擬研究、工程現場實測和數據結果分析，認為采用水平極化和垂直極化方式探測時，不同的極化角度對二襯鋼筋、空洞、厚度的探測效果不同，但對破碎帶的探測效果影響不大，破碎帶的探測效果更多的受圍巖綜合介電常數的影響。恩和得力海等[2]將全極化探地雷達系統應用于冰川裂縫寬度和走向的探測，通過極化分解和三維時域有限差分法，在小尺度冰裂縫的探測成像上得到了較好的效果；認為相較于傳統的脈沖雷達，全極化探地雷達可以得到更全面、更直觀的冰裂縫信息。張文波等[3]利用地質雷達的極化特性對建筑結構的雙層鋼筋進行探測研究，認為當高導圓柱體的半徑與地質雷達反射波波長之比較小時，TE極化的散射場后向散射寬度比TM極化的后向散射寬度要小，地質雷達接收天線對與天線長軸方向平行的目標體最敏感，可以利用天線的極化特性，通過調整天線與建筑結構內鋼筋的走向方向減少淺層鋼筋的反射、增強深部目標體的反射信號。仝傳雪等[4]利用時域有限差分法對探地雷達的極化特性進行了數值模擬研究，認為根據目標體和天線的極化特征，選擇不同的天線極化方式可以得到不同的極化信息，可以利用探地雷達的極化特性，對鋼筋混凝土中鋼筋、電纜的延伸情況進行有效探測。徐建東等[5]通過探地雷達收發天線極化特性方向的變化，對路面結構層、路基潛在的問題和隱患進行了探測，通過物理模擬和試驗研究，認為探地雷達極化特性可以有效的對路面和路基結構進行檢測。

本文通過對地質雷達天線的極化特性進行分析和研究，利用天線的極化特性對鋼筋混凝土結構模型和隧道工程結構混凝土的質量進行現場檢測，可以有效地降低淺層鋼筋反射信號，突出鋼筋網背后深層目標體的反射信息，將傳統的數據采集方式與不同的天線極化模式相結合，準確、直觀、快速地實現了鋼筋混凝土深部目標體的檢測和識別，為我國橋梁、隧道等大型構筑物的質量檢測提供方法借鑒。

1 檢測原理

1.1 地質雷達法檢測原理

地質雷達又稱探地雷達，其用于鋼筋混凝土結構質量檢測時，主要通過發射天線向結構體發射脈沖電磁波，電磁波在鋼筋混凝土結構中傳播，當遇到鋼筋、空洞、分層、欠密實等介電常數存在差異的結構體時，一部分電磁波在介電常數存在差異的交界面處發生反射并被接收天線接收，另一部分電磁波在結構混凝土中繼續傳播。通過接收天線接收的反射波信號特征，可以對結構混凝土中存在的質量問題進行識別和判斷。其工作原理如圖1所示。

圖1 地質雷達工作原理示意圖

1.2 地質雷達天線極化特性

地質雷達屏蔽天線多采用蝶形天線和偶極子天線，蝶形天線在電場的遠區場與偶極子天線的特性相似。本文以偶極子天線為例對地質雷達天線的極化特性進行分析，偶極子電場如圖2所示，無窮小偶極子天線輻射遠區場的球坐標系方程如下[6]：

圖2 偶極子電場

(1)

式中：k為傳播常數；i為偶極子中的電流，A；l為天線的長度，m；z為介質的波阻抗，Ω。

在笛卡爾坐標系中，可將Eθ分解成3個極化分量，即：平行于偶極子軸的Ez和垂直于偶極子軸的Ex、Ey。

Ex=Eθcosθcosφ

(2)

Ey=Eθcosθsinφ

(3)

Ez=-Eθsinφ

(4)

當θ=90°時，Ex和Ey的值為零時，Ez的值達到最大，此時，平行于偶極子軸的電場分量Ez占偶極子天線輻射場的絕大部分，而垂直于偶極子軸的電場分量Ex和Ey可忽略不計。即地質雷達天線線性極化波的主要極化方向平行于天線的長軸方向，短軸方向的電場分量在天線輻射總能量中的占比很小。根據互易原理[7]，接收天線的極化特性與發射天線的極化特性相同時，偶極子天線和蝶形天線對與其長軸方向平行的入射電場分量最為敏感。

偶極子天線和蝶形天線由于其發射天線和接收天線處于平行狀態，又稱為共極化天線。采用地質雷達法進行鋼筋混凝土結構質量檢測時，為了得到鋼筋混凝土結構中鋼筋最明顯的后散射場反射信號，多采用發射天線(T)、接收天線(R)與鋼筋長軸方向垂直的方向進行斷面掃描，這種模式稱為TM極化模式(見圖3)。鋼筋混凝土質量檢測時，由于淺層密集鋼筋的強反射信號極易掩蓋鋼筋背后目標體的反射信號，對深部的異常反射信息造成漏判。為了減少淺層鋼筋的后向散射場，突出鋼筋網背后目標體的反射信息，可以采用發射天線、接收天線與鋼筋長軸方向平行的方向進行斷面掃描，這種模式稱為TE極化模式(見圖4)。

圖3 TM極化模式

圖4 TE極化模式

2 檢測天線和極化模式選擇

公路隧道襯砌質量檢測中，地質雷達天線通常沿隧道軸線方向進行數據的連續采集，此時地質雷達天線的方向與襯砌混凝土中主筋的布置方向平行、移動方向與主筋方向垂直，即TM極化模式。由于天線的極化作用，這種探測模式得到的淺層鋼筋后向散射場最大，鋼筋的異常反射信號最明顯，同時由于鋼筋反射拋物線拖尾信號的疊加和干擾，鋼筋背后目標體的反射信號因相對微弱而不易分辨和識別。為了提高鋼筋混凝土結構鋼筋背后深部目標體弱反射信號的分辨能力，可以采用天線方向與襯砌混凝土中鋼筋的方向垂直、移動方向與主筋方向平行進行數據采集，即TE極化模式。利用天線的極化特效，這種探測模式得到的淺層鋼筋后向散射場最小，有利于更多的電磁波信號進入結構混凝土中，從而最大程度的增強深部目標體反射信號，極大地提高深部目標體的識別效果和分辨能力。

3 模擬試驗與分析

為了驗證地質雷達天線極化特性在鋼筋混凝土質量檢測中的應用效果，設置鋼筋混凝土預制模型和鋼筋混凝土內的空洞模型。模型大小為1.2 m×0.2 m，模型中設置一排距離頂面為0.03 m、直徑為0.01 m、橫向為0.1 m等間距鋼筋，異常體模型為直徑0.015 m、距離頂面0.08 m的空洞模型(見圖5)。采用美國勞雷SIR-3000型地質雷達配合2 600 MHz天線對鋼筋混凝土模型中的異常體進行探測，分別得到TM模式和TE模式的探測結果圖，如圖6、圖7所示。

圖5 鋼筋混凝土模型示意圖

圖6中TM極化模式下的探測結果表明，該斷面深度為0.03 m位置的鋼筋呈現規則、等間距的拋物線狀弧形強反射信號，鋼筋背后空洞的異常反射信號因表層鋼筋強反射信號的干擾，缺陷反射信號無法識別。圖7中TE極化模式下的探測結果表明，表層鋼筋的反射信號強度有所降低，鋼筋背后空洞異常體的反射信號強度得到了大幅度地提升，呈現明顯的拋物線狀。這主要是由于表層鋼筋的后向散射強度減弱，從而加大了進入混凝土內部的電磁波強度，有效地增強了空洞異常體的反射信號，提高了目標體的識別能力。

圖6 TM極化模式檢測結果圖

圖7 TE極化模式檢測結果圖

4 應用實例和結果解譯

本文以某公路隧道鋼筋混凝土襯砌結構質量檢測為例，采用美國勞雷SIR-3000型地質雷達配合900 MHz天線進行隧道襯砌質量檢測。公路隧道設計中，二襯鋼筋混凝土厚度不小于0.45 m，初支混凝土厚度不小于0.25 m，地質雷達探測深度不小于1.3倍的最小有效探測深度。實際施工過程中，初支和二襯混凝土澆筑厚度可能會遠遠大于設計厚度，為了有效探測出初支與二襯、初支與圍巖體的施工質量情況，本文中有效探測深度設置為1.25 m。

圖8為隧道襯砌結構示意圖，圖9為隧道鋼筋混凝土襯砌平面結構的測線布置示意圖。以隧道襯砌的邊墻檢測數據為例，在同一測線位置分別采用地質雷達天線的TM極化模式和TE極化模式進行數據采集。圖10為TM極化模式檢測結果，該斷面深度為0.1 m左右的位置，呈現為近似等間距規則的拋物線狀弧形反射，反射信號清晰、明顯，推測為二襯混凝土中鋼筋的反射信號；二襯背后初支混凝土中無明顯的異常反射信號。圖11為TE極化模式檢測結果，由于淺層鋼筋的后向散射場最小，該斷面二襯混凝土中鋼筋的反射信號較弱，深度約0.75 m位置呈現規則的弧形反射信號，推測該位置為初支混凝土中的拱架反射信號。

圖8 隧道襯砌結構示意圖

圖9 檢測測線布置示意圖

圖10 TM極化模式檢測結果圖

圖11 TE極化模式檢測結果圖

5 結論

本文采用地質雷達天線不同的極化模式，對鋼筋混凝土結構模型和隧道襯砌混凝土結構進行數據采集，并對檢測結果分析和解譯。該技術方法不僅可以得到鋼筋混凝土結構淺層目標體的反射信息，還可以得到鋼筋網背后深層目標體的反射信息，對提高鋼筋混凝土結構深部目標體的識別效果和分辨能力具有重要借鑒意義。

鋼筋混凝土結構檢測中，地質雷達天線的TM極化模式可以得到清晰的淺層目標體反射信息，而深層目標體信息不易識別；天線的TE極化模式可以得到清晰的深層目標體反射信息，而淺層目標體信息不易識別。

地質雷達法在公路隧道襯砌結構、橋梁結構體等大型構筑物的鋼筋混凝土質量檢測中應用廣泛，根據不同的檢測需求，采用不同的地質雷達天線頻率和天線極化模式，可以對不同深度的目標體進行快速檢測。