探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

自改革开放以来，国民经济持续稳定向前发展，国家对基础设施建设力度日渐加强，随着国家交通建设的不断发展，新建公路、铁路隧道的规模、数量逐年递增。传统检测手段所进行的目测、打钻孔取芯等检测方法已不能满足实际工程的需要，这就对隧道衬砌质量检测提出新的要求：采用高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速评价的检测方法。

探地雷达这一新的检测方法的推广应用正好解决了以上难题。它采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法很快得到了人们的认可，并在实际工程中得到了推广和应用，本文作者结合自己的工程实践，阐述了探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用。

一、探地雷达的基本原理

探地雷达法(Ground Penetrating Radar Method)是利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其实际是利用目标体及周围介质的电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷(或其他不均匀体)进行探测。

探地雷达是近年来一种新兴的地下探测与混凝土建筑物无损检测的新技术，它是利用宽频带高频电磁波信号探测介质结构位置和分布的非破坏性的探测仪器，是目前国内外用于测量混凝土内部缺陷最先进、最便捷的仪器之一，天线屏蔽抗干扰性强，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维黑白或彩色图像。探地雷达工作示意图见图2.1。

探地雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下

发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。探地雷达工作原理见图2.2。

图2.1探地雷达工作示意图

探地雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体。

由公式

雷达根据测得的雷达波走时，自动求出反射物的深度z和范围。

图2.2 探地雷达工作原理

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。基本目标体探测原理（见图2.2）。

图2.3 基本目标体探测原理示意图

探地雷达基本参数如下：

22t4zxv2zv 1、电磁脉冲波旅行时间：

（a）孤立体

（b）层面体

式中：Z—勘查目标体的埋深； x—发射、接收天线的距离（式中因Z>x,故x可忽略）；V—电磁波在介质中的传播速度。

2、电磁波在介质中的传播速度：

vcrrcr

式中： C—电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）；r—介质的相对介电常数，r—介质的相对磁导率（一般r1）

3、电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现

象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

r(2211)2(2211)2(21)2(21)2

式中：r — 界面电磁波反射系数；1—第一层介质的相对介电常数；

2—第二层介质的相对介电常数。

4、探地雷达记录时间和勘查深度的关系

11czvtt22r

式中：Z— 勘查目标体的深度；t— 雷达记录时间。 二、现场检测

1、探地雷达检测仪器及天线选择

本次工作使用的仪器主机采用瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR型地质雷达，天线选用500MHz屏蔽天线(见图3.1)。

图3.1 RAMAC/GPR型地质雷达主机以及500MHz屏蔽天线 2、测试参数如下： 采样频率：7600MHz、

采样点数：516点、 叠加次数：自动叠加8次、 触发方式：距离触发、 时窗大小：68ns(1s=109ns)、 采样间隔：0.02m。 3、测线布置及现场检测

检测按照规程规定，在每个隧道内分别在左拱腰（测线1）、拱顶（测线2）、右拱腰（测线3）三个位置布置雷达测线进行检测，测线布置示意图及现场检测照片见图3.2。

图3.2 测线布置示意图及现场检测照片

三、数据处理和解释

探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探地雷达垂直剖面图。探地雷达探测资料的解释包括两部分内容：一为数据处理，二为图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号

实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像，识别现场探测中遇到的有限目标体引起的异常现象，对各类图像进行解释提供依据。

图像处理包括消除随机噪声、压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。

图像解释和识别异常是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果。

识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。

下面结合雷达检测实例，来说明通过图像对隧道衬砌常见缺陷的判别。

1、钢拱架与钢筋网的识别

当混凝土中存在钢筋时，将产生连续点状强反射信号；当混凝土中存在钢拱架时，将出现特别强的月牙形反射信号，每一信号表示有一榀钢拱架（见图4.1、4.2）。

图4.1 二衬中的钢筋网

图4.1中，连续的网状格栅表示二次衬砌存在连续分部的钢筋网，其中较多突起的顶部表示每根钢筋所在的位置，从图像上可以准确读出每根钢筋的具体位置和钢筋间距。

图4.2 二衬中的钢拱架

图4.2中，均匀分布的较大月牙形突起为钢拱架的反射信号，从图像上可以准确读出每榀钢拱架的具体位置和拱架间距。

2、隧道衬砌中缺陷的识别 （1）衬砌混凝土中的不密实及脱空

当衬砌内不密实或存有空隙时，由于空气与混凝土介电常数差别较大，电磁波在混凝土与空气界面以及空气与围岩界面传播时会产生强烈反射，当空洞比较大时，界面清晰可见。在探地雷达图像上主要表现为在混凝土层以下出现多次反射波，同向轴呈弧形，并与相邻道之间发生

相位错位，且能量明显增强。图4.3、4.4均为二次衬砌混凝土中有脱空。

图4.3二衬中混凝土脱空

图4.4二衬中混凝土不密实，有脱空

（2）衬砌与围岩间脱空

图4.5为隧道衬砌顶部的典型三角脱空，形成原因是在顶部衬砌施工过程中，在两模板结合处混凝土不易填满，后期混凝土凝结收缩，在伸缩缝两侧出现的三角形脱空，该脱空距离衬砌表面最薄处不足10cm。这种脱空常常会存有大量积水，对隧道的运营构成较大的危害。现场找出这样的缺陷也比较容易，对于这样的脱空需要压浆处理。

图4.5 衬砌中的三角脱空

（3）初衬与二次衬砌间脱空

初衬与二衬之间的脱空也是隧道衬砌常见的缺陷，防水板的铺设太紧或太松，再加之二衬混凝土浇筑后的收缩变形，会导致此类缺陷的出现。图4.6就是初衬与二衬之间出现了较长区段的脱空，这给隧道的营运造成了安全隐患。

图4.6 初衬与二衬之间的脱空

（4）围岩中的空洞和裂隙

围岩中的空洞和衬砌中的空洞在雷达图像上特征类似，出现在较深层的围岩中，如图4.7所示，裂隙在雷达图像上表现为倾斜的条带状异常，这种裂隙不进行处理将严重危害隧道的安全。

4.7 围岩内部空洞及围岩裂隙

地质雷达作为一种新的高分辨率、高效率无损检测技术, 正在隧道衬砌质量检测中越来越发挥出重要的作用, 它具有分辨率高、成本低、快速、无损等优点, 有着很大的发展潜力。此外, 地质雷达在隧道质量检测中, 需要有一定的技术要求和经验知识, 要熟悉隧道衬砌施工的各个关键环节，只有这样, 才能逐渐积累丰富的实践经验, 才能最大限度地发挥出地质雷达的长处, 更好地解决实际问题。