地质雷达在水工隧洞衬砌检测中的应用

白 凡车光朴

（1.山西省水利工程质量与安全监督站 山西太原 030002；2.天津润泰工程监理有限公司 天津 300202）

0 引言

水工隧洞是水利枢纽中的重要组成部分之一，主要包括引水隧洞和泄水隧洞两大类。对于地质条件较差的洞段，水工隧洞常用锚喷支护作为初支，钢筋混凝土作为永久性衬砌，以确保隧洞施工期和运行期的安全。

隧洞衬砌质量在施工过程中的影响因素很多，可能出现的质量问题包括衬砌厚度不足、脱空、不密实等，更有甚者，因参建各方质量管理把控不严、施工队社会责任感和道德观念不强，施工过程中存在偷工减料的恶性行为，为及时发现和预防此类问题的发生，需使用一种高效快捷、覆盖面广的方法来检测。传统的检测手段所进行的目测、钻孔取芯和非金属超声波等方法已不能满足实际工程的需要。作为一种新型的地球物理勘察技术，地质雷达以其精度高、效率高、无损性、抗干扰能力强、灵活方便等特点在如今的隧洞工程质量检测中得到了普遍的认可和较为广泛的应用。

1 检测原理[1]

地质雷达是利用电磁波探测目的体和地质现象的一种无损检测设备，通过发射天线（T）将高频电磁波（主频为10～1 000 MHz）以脉冲信号的形式入射到被测物体，当电磁波遇到物理性质不同的两种物体界面时发生反射，反射回的信号由接收天线（R）接收（图1），电磁波往返行程走时t值为

当被测物体中的波速v已知。则根据上式代入t值（单位通常为ns，1ns=10-9s）即可推出目的体距被测物体表面的深度值（m）。式中x值（m）为发射天线与接收天线的间距，由于两者通常会被集成于同一保护壳内，因此x值是固定且已知的；v值（m/ns）可用宽角拟合的方式求出，当被测物体的导电率很低时，可根据公式近似求出v值，其中ε表示被测物体的相对介电常数值（现场测定），c表示光速（c=0.3 m/ns）。地质雷达主要应用于地质勘探、公路道路、隧洞衬砌等方面的检测，被测物体（岩石、普通混凝土、沥青混凝土等）的导电率普遍很低，因此一般可根据近似式结合雷达主机记录的电磁波双程走时，直接求得目的体的深度z值：

图1 电磁波反射探测原理[1]

雷达图像的记录形式为脉冲反射波的波形，由一道道紧密相邻的单道波组成。每一道单道波的正负波峰分别反映为黑白色（或者白黑色、彩色）。因此连续单道波的同相轴即可呈现出目的体的反射界面。雷达图像上各测点的波形均以垂直于物体表面的方向记录，形成目的体的剖面（图2），再通过滤波降噪、信号叠加、图像合成等数据处理手段，形成被测物体的扫描图像（图3）。由于二次反射波信号衰减严重且受初次反射波信号绕射干扰较大，因此目的体下表面的反射信号难于接收及识别，从图像中我们通常只能观察到目的体的上表面，且图像中反映的目的体较实际尺寸偏大。

介质间的电性差异越大，反射回的电磁波能量也越强，则雷达图像中对应的目的体的表征也越清晰，如混凝土与钢筋、混凝土与空气、混凝土与水等均有很强烈的反射，因此，通过对雷达图像的判读，便可得到目的体的分布位置和状态。

图2 波形记录示意图[1]

图3 处理后的雷达图像

2 工作方法

根据《水利水电工程物探规程》（SL326-2005）规定，雷达测线采用纵向布置的方式，分别在隧洞的拱顶、左右拱腰、左右边墙、底板各布设一条测线（图4）。检测时，天线工作面需与衬砌表面紧密贴合并匀速滑动，同时雷达主机发射连续脉冲电磁波进行扫描。扫描隧洞拱部时需制作专用工作台架，便于检测人员将天线举起以密贴衬砌。同时，为保持工效和满足分辨率的要求，天线沿测线以5km/h左右的速度滑动为宜。

图4 地质雷达测线布置示意图

在水工隧洞检测中使用频率较高并得到普遍认可的工作台架包括以下几类：1）移动式脚手架（图5）；2）汽车上搭载固定式平台（图6）；3）汽车上搭载升降式平台（图7）；4）装载机铲斗上固定台架（图8）。

3 数据处理

现场采集的数据要通过处理软件进行一系列处理过程，才能形成便于我们分析与识别的图像。首先，要对图像中所做标记进行校正并赋予其里程桩号，使其与现场所标桩号一一对应，必要时需进行数据的剪切、拼接、距离归一化等处理；其次，进行零点校正、去直流漂移、滤波、增益调节等处理，使其达到较理想的可分析状态；对处理后的数据进行分析判断，根据相关规程规范和设计要求识别出存在的质量缺陷，必要时进行截图；将数据进行分段归档，根据工作需要确定分段长度，如每100 m的检测数据作为一个工程文件进行存档，该工程文件中应包含这100 m范围内6条测线的原始数据、处理过程数据和最终处理数据。

图5 移动式脚手架

图6 汽车上搭载固定式平台

图7 汽车上搭载升降式平台

图8 装载机铲斗上固定台架

4 图像分析

本文中所附雷达图像均采用中国电波传播研究所开发的IDSP6.0版本的地质雷达数据处理软件处理，图像中正波反映为白色，负波反映为黑色，横轴表示所测洞段的里程桩号，左侧纵轴表示时间标尺（ns），右侧纵轴表示深度标尺（m）。时间标尺即时窗，需在数据采集前预设，深度标尺则是随着被测物体中电磁波波速的变化而变化。下文针对水工隧洞检测中几种主要目标物的明显特征进行简要描述。

4.1 衬砌厚度

混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩有明显的介电常数差，因此在时间剖面图上，混凝土和岩石之间有明显的界线。雷达发射的直达波呈现几条平直的水平同相轴的图像，而围岩开挖总有或大或小的不平整，故衬砌界面一般为起伏不平的曲线图像（图9）。需要指出的是，衬砌混凝土与喷射混凝土相对介电常数虽有差别，但相差甚微，两者之间若接触较好，则可能不会有明显反射，从而难以辨别。

4.2 钢筋网与钢拱架

隧洞衬砌结构中所布置的钢拱架和钢筋均为金属导体（电磁波波速为0），电磁波从混凝土传播到金属表面时，其能量几乎全部被反射，因此使用高频天线探测混凝土衬砌中的钢拱架和钢筋时，可观察到明显的反射弧（图10），在图像中表现为“黑白黑”的突起，因此能够准确地检测出钢拱架和钢筋的数量。如存在偷工减料现象，雷达图像中会有明显体现（图11、图 12）。

4.3 脱空（空洞）

脱空现象在隧洞衬砌施工中较为常见，且多发生于隧洞拱部。由于空气与混凝土的电性差异较大，接触面反射强烈，形成连续的同相轴图像。反射波振幅越大，绕射信号越明显，说明空腔也越大。电磁波在空气与混凝土两种不同介质界面的反射特征可从图像中清晰地分辨出，表现为一条“白黑白”的连续曲线（图13），从而可确定空洞的位置和规模。

图9 衬砌与围岩的分界面图像

图10 钢筋与钢拱架在雷达图像中有很强的反射

图11 图像反映为缺少一层钢筋

图12 图像反映为缺少钢筋导致钢筋间距过大

图13 空洞在雷达图像中的反射

5 结语

地质雷达作为一种无损检测手段，为工程建设前期勘探、建设期实体质量跟踪检测、竣工验收成果提交等方面提供了有效的技术支持。但在水工隧洞检测工作中，地质雷达的应用还处于摸索阶段，在工作方法上仍有待改进，在探测深度和分辨率方面仍有待提高。相信在不久的将来，地质雷达将作为水工建筑物的一种重要检测手段，为工程质量树立一道屏障。

［1］钟世航，孙宏志，杨 峰，刘 杰，王 荣.探地雷达地质探查及检测技术［M］.上海，上海科学技术出版社，2016.