地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

孟路

【摘要】：地质雷达作为一种新型的无损检测设备，可以对隧道衬砌混凝土的密实性、厚度、钢格栅数量、脱空等进行快速的检测，克服了打孔抽检不全面及目测不准确的缺点，以其高准确性、高分辨率、无损检测和探测快速的优点，在在隧道衬砌检测中得到了普及的应用，本文针对地质雷达在隧道衬砌检测中遇到的技术问题及应用作了简要的分析与研究。

【关键词】：地质雷达；隧道衬砌；质量；检测

中图分类号：TN95文献标识码： A 文章编号：

引言

随着交通事业的快速发展, 隧道工程的数量也在逐渐增加。隧道衬砌是隧道施工的重要部分, 其质量直接影响着整个工程的质量和使用。探地雷达以其高准确性、穿透力强、高效率、无损性和强抗干扰能力等优点,能够对隧道衬砌厚度、钢拱架分布情况、混凝土完整性和均匀性、围岩密实情况等进行检测，正逐渐成为地下隐蔽工程调查中的一种有力手段与工具,现已广泛应用于无损检测、工程地质勘察、生态环境、水文地质调查、建筑结构调查等众多领域。

1.探地雷达基本原理

地质雷达仪是一种利用宽带高频电磁波信号对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的非破坏性电磁技术。其工作原理是: 高频电磁以宽带脉冲形式, 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反射后返回地面, 由接收天线接收。故通过对时域波形的采集、处理和分析, 可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。利用一个天线( Tx) 对地发射高频宽频带电磁波,用另外一个天线( Rx)接收来自地下的反射,折射电磁波和地表的直达波以及干扰电磁波。由于地下介质内部的填充物或其密实度等不同，则他们的介电常数不同使电磁波在不同介质的界面处发生反射，并由物体表面的接收天线接收，根据接收到波的旅行时间（双程走时）、幅度频率与波形变化等资料，对接收信号的回放处理，形成断面的扫描图，通过对图像的判读，判断出目标物的实际情况，推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数。其工作原理见图1。

2.工作方法

目前常用的时域地质雷达测试方法有环形法、宽角法、多天线法、剖面法等，其中。以剖面法结合多次覆盖技术应用最为广泛。剖面法是发射天线（Tx）与接收天线（Rx）以固定间距沿测线同步移动的一种工作方法 当发射天线和接收天线的间距为零时，也就是发射天线和接收天线合二为一时、称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测试结果可以用地质雷达时间剖面图像表示，其横坐标记录了天线在地表或衬砌面的位置，纵坐标为反射波双程走时 ，表示雷达脉冲从发射天线出发经过地下界面反射回到接收天线所需要的时间。这种记录能够准确描述测线下方地下各反射界面的形态需要指出的是由于地下介质对电磁波的吸收，来自地下深处界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别，这时可应用不同天线 距的发射和接收天线在同一测线上进行重复测试然后将测试记录中相同位置的记录进行叠加以增强对地下深部介质的分辨率。

3.数据处理的方法

数据处理的目的是压制规则的和随机的干扰波，最大限度的提高雷达剖面的信噪比，提取电磁回波等各种有用的参数，用来解释不同介质的物理特征。数据处理的另一个目的就是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射叠加产生的空间变形，如偏移的处理等，在实际处理中可以根据所采集数据的好坏减少或者增加处理的步骤。

4.地质雷达检测的参数选择

4.1天线频率的选择

频率高的天线发射雷达波主频高、精度较高、分辨率高、探测深度较浅、能量衰减较快; 频率低的天线发射雷达波主频低、精度相对较低、分辨率低、探测的深度较深、能量衰减较慢。因此，选用天线时, 应当根据隧道混凝土厚度及检测要求确定天线的频率。检测深度与天线频率选择见下表。

检测深度与天线频率选择

4.2 雷达波速的标定

雷达波速是计算衬砌厚度的重要参数。因施工及用料情况不同, 混凝土衬砌及喷射混凝土中雷达的波速有一定的变化范围, 为了保证测量的精度,对现场的雷达波速进行标定是必要的。最方便的方法是在衬砌侧壁的已知厚度内钻入钢筋, 通过测取反射波走时Δt 即可反算出雷达的波速 。

式中 V—实测雷达波速;

d —钢筋的埋深;

—实测反射时间。

4.3 测线布置及里程标记

为了全面检测隧道衬砌的质量, 在沿隧道轴线方向上( 以行车方向为正向) 分别在左右边墙、左右拱腰及拱顶的位置布置5 条测线。同时为了保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应, 在隧道边墙上用红油漆每5 m 作一个标记,标注里程以供核对。由于雷达天线沿隧道纵向进行检测时其测线不可能是完全直线, 即使采用里程轮, 也应对记录的里程与实际里程进行核对。测线布置见图3.

2.4.4信号处理

天线在接收过程中为了得到更多的反射波特征,通常用宽频带进行记录, 因此在记录各种有效波的同时, 也不可避免地记录了各种干扰波声, 使得记录图形不能清晰反映目标体。此外, 由于地下介质相当于一个复杂的滤波器, 使得电磁脉冲到达天线时, 波幅被减小, 波形与原始反射波有差异。因此必须对接收的雷达信号进行适当处理, 以改善数据质量, 为下一步的解释提供清晰的图像。以RAMAC地质雷达为例, 波形信号的处理需要以下步骤:

(1)去直流漂移。去除采集的各道振幅上经常有的一个常数偏移。

(2)时间—增益滤波。用随时间变化的增益来补偿由于扩散和衰减的振幅损失, 作用是对深部信号放大。

(3) 平均滤波。用选定窗口的所有样点的平均值代替图像中的每一点, 使图像变得更光滑。该窗口越大, 平滑效果越明显。

(4)抽取平均道。通过从所有道中抽取计算的平均道去除水平或近似水平的图像。

(5) 带通滤波。用于从各道中去掉不需要的频率, 将低于低切频率和高于高切频率的频率去掉。可以选用FIR ( 有限冲激响应) 滤波或IIR ( 无限冲激响应) 滤波方式。

(6)背景去除滤波。通过应用水平空间高通滤波去除水平或近似水平的图像, 滤波效果与抽取平均道滤波近似。三种设置即正常、较强和最强对应的归一化切除滤波( 频率除以采样频率) 分别为0.01 , 0.025 和0.05 。

(7） 自动增益控制。在指定的滑动窗口内, 通过等效平均振幅对各道进行增益。窗口越小, 增益后的数据越均匀。

5.隧道衬砌检测的主要内容及技术问题

5.1隧道衬砌检测中主要内容

（1）衬砌的厚度；（2）衬砌的质量，即密实度；（3）衬砌内钢格栅的数量；（4）衬砌后方围岩情况；（5）衬砌与围岩的接触面是否密实。

5.2隧道衬砌检测中遇到的技术问题

由于隧道衬砌结构的复杂性，在实际检测中还有一些技术需要进一步的解决:

钢格栅会对雷达波产生反射，格栅网产生屏蔽作用，影响对其深部的进一步测量，尤其是衬砌内小的空隙和松散或格栅后围岩，在格栅的影响下，对其的探测增加了难度。

在对围岩进行爆破后，对围岩深部和区域的影响程度不明显，检测的区域范围与深度难以控制。

（3）隧道的顶部及拱肩部位探测难度大，因其较高，需要在稳定的较高的平台上作业，由于施工条件的限制，高平台的移动成了较大的难题，对测线的布置影响很大，增加了它的危险性。

结束语

地质雷达是现代隧道工程检测中所应用的主要仪器之一, 通过使用地质雷达对隧道衬砌结构的无损检测快速、准确的以测线成果图的形式直观地反映出隧道衬砌层的厚度 、衬后围岩裂隙孔洞、 浇灌质量及钢支撑分布等情况,大大提高了检测的效率, 对于提高隧道施工质量具有极大的促进作用。但其还是一种尚在不断发展的无损探测技术，其理论研究与实践操作还需进一步的完善，准确率不能达到百分之百，因此对于地质雷达探测的图像处理与分析，应结合地质、钻探等其他资料进行，在实践中不断地累计经验。

参考文献：

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