地质雷达在隧道探测中的图像研究

刘 海

（广东天衡工程建设咨询监理有限公司武汉管理中心 武汉 430063）

随着国内地质雷达仪器研制水平的提高与国外先进仪器的引进，地质雷达探地技术已在工程地质勘查、结构工程质量检测、灾害地质调查与考古等众多领域得到了越来越多的应用。但是，由于地质雷达图像解释目前还没有统一的规范、规程，各检测单位均根据自己的经验对雷达图像进行处理、分析，因此雷达图像解释水平参差不齐。笔者在对采集到的大量雷达图像进行整理、分析的同时，提出了自己对雷达图像解析的认识，为地质雷达解释水平的提高积累了经验。

1 地质雷达检测技术简介

地质雷达是利用高频电磁波检测地下介质分布或对不可见目标体、地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。地质雷达仪通过发射天线直接向探测目标发射高频电磁波，电磁波在介质中传播，当遇到存在电性差异的目标体，如混凝土、钢支撑、围岩、不密实区、空洞等时，电磁波便发生反射，返回到被探测体表面时被接收天线接收，在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据雷达波的波形、强度、双程走时等参数便可推断探测物体内各介质的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对隐蔽体的探测［1］。

2 现场检测

2.1 设备介绍

国内经常使用的地质雷达仪分别为美国的SIR－20型探地雷达与瑞士的ZOND－12型探地雷达。上述两款仪器都具有天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强，现场实时显示二维彩色图像等特点。其中以美国的SIR－20型探地雷达应用最为普遍。

2.2 雷达天线的选择

目前在地质雷达探测中使用最广泛的是900，500，100MHz天线。频率高的天线，精度高，能量衰减快，探测深度浅。频率低的天线，精度相对较低，能量衰减较慢，探测深度较深。因此选择天线时应根据探测的深度与精度要求来确定。

根据介质的不同，各天线的探测深度通常是：900MHz天线探测深度为1～2m，500MHz天线探测深度为7～10m，100MHz天线探测深度为30～50m。目前900MHz天线主要用于结构物检测，500MHz天线主要用于路基路面检测，100MHz天线主要用于地质勘察与隧道的超前预报。

2.3 测线的布置

（1）公路检测。①路基、路面检测：路基、路面检测时雷达测线主要是沿纵向布置，一般布置1～2条测线。也可以每隔50m沿横断面布置1条横向测线作为辅助测线。在有病害的路段应加布横向测线；②隧道检测：隧道检测中雷达测线应以纵向布线为主，横向布线为辅。纵向布线应在隧道拱顶，左、右侧拱腰，左、右侧边墙，隧底各布置一条。横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距8～12m；采用点测时每断面不少于6个点。如发现不合格段落应加密测线和测点。

（2）地质勘察。地质雷达应用于地质勘察主要有公路选线与工点勘察，详细查明桥梁工点基岩面的起伏，探明滑坡体的厚度与宽度，在隧道开挖掘进中探明掌子面前方围岩情况。除隧道掌子面前方围岩探测时测线采用井字形布置外，其他测线均采用纵向布线。

2.4 地质雷达波速的标定

因为电磁波在不同介质中的传播速度是不同的。因此在进行地质雷达图像分析解释时，必须要先知道电磁波在被探测介质中的传播速度vi。在可进行雷达波速标定的介质中，每次探测前标定应不少于1处，每次实测不少于3次，取平均值为该介质的介电常数或电磁波速。当介质介电常数变化较大时，应适当增加标定点数［2］。

标定可在介质已知厚度部位或与介质材料相同的预制件上进行，还可以通过钻孔实测。

标定结果按下式计算：

3 隧道内不同介质的雷达图像辨识

（1）钢支撑的雷达图像。见图1。图像中月牙形的强反射亮斑即为钢拱架在雷达图像中的反映。由于高频电磁波在钢支撑表面发生全反射，因此在该处的反射信号最强，雷达伪彩色图像呈现月牙形［3］。

图1 钢拱架雷达图像

（2）钢格栅的雷达图像。见图2。图像中的黄绿色原子团状物质即为钢格栅在雷达图像中的反映，由于钢格栅存在空隙，因此雷达波在该处的反射信号没有型钢拱架那么强，它在雷达伪彩色图像上反映为类似倒写的英文字母W。

图2 钢格栅雷达图像

（3）裂隙水的雷达图像。见图3。图像中蓝紫色的强反射区域即为裂隙水在雷达图像上的反映，之所以会发生类似钢拱架的强反射是因为水的相对介电常数为81，与其他介质的相对介电常数成倍数关系，水的表面几乎将雷达波的全部高频信号反射，形成了对高频信号的屏蔽效应，所以雷达图像上会有很清晰的反映。

图3 裂隙水雷达图像

（4）混凝土不密实区的雷达图像。见图4。图中标注1为介质表面，标注2为格栅拱架，标注3为衬砌与围岩的分界面，c区域为不密实区。该区域雷达图像特点为：入射波未正常衰减，存在多次反射，从图像上至少可识取3个反射界面，因此该区域内介质不均匀，存在不密实区。在雷达伪彩色图像上反映为背斜状反射图形。

图4 不密实区雷达图像

4 隧道探测中容易引起误判的雷达图像辨析

在做地质雷达检测时，如果检测环境恶劣，施工情况复杂，雷达天线不易移动时，常会收集到一些失真的雷达图像。为了避免这些失真的雷达图像给我们造成误判，需要根据自己的检测经验对采集的数据进行“去伪存真”。下面对实际检测中容易造成误判的失真雷达图像进行辨析。

（1）雷达天线通过预留洞室时的图像解析。在做二次衬砌边墙检测时，由于边墙上常常会有一些预留的洞室，该洞室实际就相当于一个人造空洞，它在雷达图像上会有很明显的反映，见图5。

图5 预留洞室雷达图像

为了在分析时不产生误判，需将它与真实的不密实区区分开来。从预留洞室和不密实区的部位不难看出，它们最大的区别就在于其检测部位不同。预留洞在检测面的表面，不密实区则存在被检测体的内部。它们在雷达波上的区别就是预留洞室在波的传播路径上多了一个空气层。据此，就可以找到分辨它们的方法。图5中标注d为雷达波在空气层中的波形图，它与雷达波直接发射到检测面的波形图的区别是：在标注d区域存在两个波的视周期都较窄，而正常雷达图像中只有一个波的视周期较短，也就是直达波的视周期较短。直达波是直接在介质表面发生反射的波，它的传播路径就是空气。而雷达天线经过预留洞室时电磁波的传播路径多了一层空气介质，电磁波在空气中传播时，波的高频信号没有损失，因此可以看到有2个几乎没有衰减的波峰出现。这是判断雷达天线是否经过预留洞室的最显著特征。而雷达波之所以会在空气与介质中存在视周期不同的现象，是因为雷达波在入射进非空气介质时在介质表面将损失大量的高频信号，当剩余的低频信号复合成新的波形图时，它在时间轴上的视周期自然会变宽（如标注e区域）。因此当入射波存在连续的窄的视周期波形图时，可以得出该雷达图像为预留洞室的雷达图像。

（2）雷达天线在离开检测面时的雷达图像辨析。从图6中可以清楚地看到一个斜面，如白色箭头所示，该斜面反映的是雷达天线离开探测物体表面后又贴紧探测面的过程。其他的雷达图像辨析与图5类似，当雷达天线离开被检测面时，雷达天线与被检测面间就多了一个空气层，从右侧的波形图就可以发现它出现了2个视周期很短的波峰，因此可以判断雷达天线脱离了被测体表面。

图6 天线脱离表面雷达图像

5 结语

运用地质雷达探测隧道内部不可见介质是一种先进的无损检测技术。与传统的人工取心相比，地质雷达按测线检测所采集的数据量更大，更加具有真实性，同时更经济快捷。

通过对隧道内部各介质的雷达图像进行辨析，找出了它们在雷达图像上所反映的图形特征，为今后的雷达图像解释积累了经验，同时对检测中容易引起误判的雷达图像进行了分析说明，为提高雷达图像解析的准确度提出了很好的建议。

［1］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，1994.

［2］熊昌盛.提高地质雷达在隧道二次衬砌检测中探测精度的方法［J］.铁道建筑，2008（1）：61－63.

［3］陈礼伟.地质雷达检测隧道衬砌质量中的问题研究［J］.岩土力学，2003，24（10）：146－149.