地质雷达在隧道中的检测应用

何家范

(贵州省交通规划勘察设计研究院)

隧道是指在既有的建筑或土石结构中挖出来的通道，供交通立体化、穿山越岭、地下通道、越江、过海、管道运输、电缆地下化、水利工程等使用。隧道修建工程是隐蔽性的工程，对于施工质量的要求和安全的条件要求都和普通的工程不同。如果仍然使用传统的手段对隧道的施工质量进行检测，很难够做出准确判断，从而导致隧道在修建完成之后非常容易存在很多的质量问题例如衬砌厚度不足、背后脱空等，这些质量问题严重威胁了隧道在此后的安全使用。

地质雷达的探测是利用超高频电磁波，这就使得其探测能力优于管线探测仪等电磁波探测类仪器，所以地质雷达常用于基础深度确定、冰川、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测。

1 地质雷达的工作原理

地质雷达Ground Penetrating Radar(GPR)是探测地下物体技术的简称。其基本原理是:发射机通过发射天线发射中心频率为12.5～1200 M、脉冲宽度为0.1ns的脉冲电磁波信号。当这一信号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射信号。直达信号和反射信号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射信号，可以判断有无被测目标;根据反射信号到达滞后时间及目标物体平均反射波速，可以大致计算出探测目标的距离。其原理图如图1所示。

图1 地质雷达的工作原理图

由上图得出公式

2 地质雷达法对隧道无损检测的具体操作

地质雷达法在隧道检测中广泛应用于初期支护及二次衬砌厚度检测、初期支护背部空洞及二衬与初衬脱空缺陷检测、衬砌内部钢架及钢筋分布检测。根据隧道的设计结构特点，在使用地质雷达法对隧道衬砌进行检测时以纵向布线为主，横向布线为辅。纵向布线常在拱顶、左右拱腰及左右边墙各布置1条，对于三车道的隧道则应该在隧道拱顶部位增加两条测线，以保障测线的密度。检测时，需确定缺陷规模和范围时应加密测线或测点。雷达天线的选择主要依据探测深度和探测的目的来进行选择。隧道衬砌的检测多使用500 MHz和800 MHz的天线。

3 地质雷达在隧道检测中的信号处理

3.1 介电常数的确定

在使用地质雷达检测前，应对衬砌混凝土的介电常熟或电磁波速做现场标定。标定方法为在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量;在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量，也可以在现场钻孔进行实际测量。电磁波速在实际测量中很多时候是采用明洞进行标定。标定公式如下

式中:εr为相对介电常数;v为电磁波速;t为双程旅行时间;d为标定目标体厚度。

3.2 数据处理

数据处理分为两步，第一步是进行预处理，首先进行减弱干扰波，消除掉剖面上的多次波以及在信息波段的各种背景干扰波，使有效层位的信息突出，从而增加里程和深度信息准确率。这主要流程是:切除检测时的废弃记录——对波形进行零点矫正——将里程归一化处理——均衡道间的能量——对信息波段进行增益处理——过滤掉干扰波——除去各种背景干扰波。第二步是在第一步的基础上通过对波形的分析处理来对波形的异常波段和层位信息进行划分及解释，并找出对隧道的补救解决办法。

3.3 在检测中的典型波组的识别

观察图2，可以看见此时红线标注处，钢架几乎把电磁波的能量全部反弹回去，此时的反射系数接近为1。在上图中，钢架形成了半张开伞状的清晰反射弧，非常明显地体现了反射同相轴的三振相特征。

图2 钢架检测图

钢筋反射类型和钢架的反射类型类似，相似主要是因为金属导体对电磁波的反射非常强烈，形状均为弧形，不同的是钢筋网的反射类型就是多个钢架反射弧相互连接，即连续的双曲线，同时还有二次反射，而钢架反射弧是分散的，具体情况如图3。

图3 衬砌内钢筋检测图

衬砌和围岩之间存在着一片脱空区，脱空区充满了空气，从而使得此刻的反射弧和上面的周围都是混凝土时的反射弧形状、分布都有着极大的差别。它的反射波正反相互间隔，对电磁波的反射能力也非常强，脱空区保持蜿蜒如蛇的形状，所处部位也清晰可见。具体情况如图4:

图4 地质雷达检测复合衬砌分层图例

4 地质雷达检测隧道时的注意事项

隧道的支护表面在修建时粗糙度过大而引起的检测数据里关于里程的记录上存在着误差以及最后对检测数据进行分析后得出的结果的错误;隧道中安装的用电的或者是含有金属的基础设施对雷达波会产生极大的干扰，严重影响了数据处理的第二过程中的对异常信号做出相应的解释。为了减小背景干扰波对检测的影响，要求在现场检测时必须让天线与衬砌表面精密贴合，保证雷达波均匀移动，对于隧道表面粗糙度大的段落可以用时间触发来探测其状况;现场必须随时记录所看见或了解到的可能对雷达波产生干扰的物品并查明其具体位置。另外，所取的预制件的介电常数和用雷达检测隧道的各部位的精度密切相连，所取的介电常数必须现场测量标定不可使用查表来进行选取额。

图5 二次衬砌内三角形脱空图

5 小结

地质雷达可以快速准确的检测出隧道中存在的各种问题，尤其是对于各种衬砌检测中经常发生的问题有极其显著的效果，提供了客观可靠的隧道检测数据，为隧道的安全状态提供了有力的证明。然而在现实生活中，仅仅依靠检测数据仍然不是十分可靠，还需要对隧道的施工工艺有一个清晰明了的认识，并将雷达检测的相关资料相结合来做出最优的判断。

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