地质雷达在隧洞检测的相关应用

徐驰

摘要：地质雷达具有高分辨率、无损性及高效率等优点，是地下隐蔽工程有力的调查工具，在建筑结构勘察、生态环境、工程地质调查、水文地质勘测及无损检测等领域应用很广。此文分析地质雷达的检测原理、检测影响因素、检测技术等。

关键词：隧洞检测；地质雷达；原理；技术

随着国家加大水利建设的投入，以及对水利工程质量的高度重视，采用地质雷达对隧道衬砌进行检测较为普遍。在介质中高频电磁波有高衰减性，應用受一定限制。检测效果除了与技术有关外，还与其他因素密切相关，需做好深入分析。隧洞地质雷达的检测原理、检测影响因素及检测技术等为以下重点研究的。

一、隧洞地质雷达的检测原理

地质雷达作为电磁技术可确定地下介质的分布光谱，光谱范围1MHz-1GHz。介质中的电磁波传播，其电磁场强度、路径、波形可随着通过介质几何形态及电磁性质而变化，故按照接收波双程走时（反射时间）、波形资料及幅度等，便能推断介质结构。

当隧道衬砌有缺陷时，缺陷衬砌和良好衬砌之间介电常数对比有所差异，导致雷达波异常反射。地下异常体几何形体可概括为面状体和点状体，其中面状体包括层面、裂隙等，点状体包括管线、孔洞等。不同地下异常体的雷达图像特征不同，面状体为线状反射，而点状体反射为双曲线弧。反射波振幅可用于判断异常区特征，反射波走时可用于判断异常位置，公式为h=（v2t2-x2/2）1/2，h表示异常体深埋，v=c/ε1/2表示介质中电磁波传播速度，ε表示介电常数，经测定或查相关参数获得，c表示空气中电磁波传播速度；t表示双程走时，而x表示收发距[1]。空气ε为1，电导率0，传播速度03m·ns-1，吸收系数0；水ε为80，电导率05ms·m-1，传播速度033m·ns-1，吸收系数01dB·m-1；黏土ε为5-40，电导率2-1000ms·m-1，传播速度006m·ns-1，吸收系数1-300dB·m-1；混凝土ε为4-20，电导率1-100ms·m-1，传播速度012m·ns-1；金属ε为300，电导率1010ms·m-1，传播速度0017m·ns-1，吸收系数108dB·m-1。当发射天线和接收天线沿着被检测的物体表面作同步逐点移动时，便能获得内部介质的剖面图像，以此进行衬砌质量检测。

二、地质雷达的检测影响因素

1、现场环境

主要体现在检测面平整度和杂波干扰两方面。干燥空气中雷达波速度03m/ns，是混凝土3倍。若检测面较不平整，则雷达天线和其侧面无法紧密接触，存在空气；如间隙较大，则被检测面可显示异常界面，产生多次反射信号，和衬砌内异常界面交错或重叠出现，可将干扰信号误判地下埋设物，或所推断衬砌层厚度较实际厚度偏大。隧道中的部分物体可形成反射信号，如金属构件，导致记录图谱多变，难以分辨，例如通信信号线、接触网高压电缆线、架线作业车金属平台。

2、检测区间的物理状态

雷达波波速决定着探测物深度判断精准度。衬砌层原材料影响衬砌层雷达波的传播速度。就隧道衬砌来说，混凝土振捣及搅拌均匀性、设计等级等均对介电常数取值有影响，故衬砌层的物理状态对雷达波变化有直接影响，主要为衬砌层材料及含水量变化影响。例如，雷达波水中速度033m/ns，而混凝土速度012m/ns，说明水对隧道检测的精度有很大影响[2]。

3、分辨率

分辨率直接决定了检测效果，并决定着物探分辨最小异常介质能力。收发天线的频率与探测深度有关，频率越低，则深度越深；而频率越高，则分辨率越高，不同土壤情况有不同探测深度。采用高频天线，可确保雷达分辨率足够，但高频天线可降低探测深度，对检测效果有影响。

三、如何提高地质雷达检测效果

1、对检测区间的物理状态作细致了解

检测前，需对隧道内设施情况、设计资料及施工记录等作详细了解，对隧道运营情况予以细致观察，重点观察衬砌裂隙有无渗漏水。

2、取芯位置布置应合理

实际检测前，按照衬砌混凝土电磁波速及介电常数予以现场标定。标定地质雷达电磁波速度对检测精度有很大影响，需合理布置标定地质雷达的波速取芯点位，分别统计不同状态下衬砌层雷达波速，认真分析其变化规律，争取对雷达波速误差导致的探测偏差予以有效控制。

3、天线应满足检测需要

结合检测需要，选择频率不同的天线，针对性的寻求探测最佳精度比及深度。从探测深度及分辨率两方面，对隧道不同衬砌部分检测要求予以综合衡量，并按照雷达探测深度及精度要求，选择天线。所有天线可综合运用或单独采用人工采点及连续采点。

4、有效抗干扰

加强现场描述，对现场强干扰物体（无线发射源和重金属等）位置进行准确描述，如电灯、电缆线。检测时，若天线移动时与衬砌表面的距离发生改变，衬砌和围岩间反射信号及表面信号为同步变化，但隧道物质反射波为反向变化，与之形成较明显的反差，则可推断反射波位置，来自衬砌内或隧道内[3]。

加强多次反射信号的区分。衬砌的内部结构较为复杂，在内部结构层和面层可发生多次反射信号，并容易和内部结构面反射信号偏离或重叠，从而造成结构界面厚度判断错误。需做好多次反射信号区分，防止资料判读出现偏差。

利用软件处理采集数据，处理方法可选择手动控制或自动控制增益，抑制杂波，对介质吸收予以补偿；背景去噪，对随机干扰的噪声进行抑制，使信噪比提高；时频变换及滤波处理，去除突出目的体或高频，减少多次波影响，使背景噪声降低。

结束语：

在隧洞检测中，地质雷达起重要作用。想要获得满意检测效果，应详细了解隧洞衬砌物理状态，并对地质雷达电磁波速度作客观标定，以此提高检测精度。笔者查阅资料及文献，对隧洞检测中地质雷达技术作出分析，供学者参考。

参考文献：

[1]李磊，王鹏禹，陈光荣，董栋.地质雷达检测技术在隧洞工程中的应用[J].水利水电施工，2011，04：55-58.

[2]窦宝松，鲍维猛，陈楠.地质雷达在隧洞衬砌检测中的应用[J].水利建设与管理，2009，05：12-14.

[3]程立，祁增云，杨显文.地质雷达在引水隧洞衬砌与灌浆质量检测中的应用[J].勘察科学技术，2012，01：59-61+64.