地质雷达技术在隧道衬砌检测中的应用分析

吴金锋，李 科

（贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵州贵阳 550014）

0 引言

随着社会经济的飞速发展，我国的隧道工程也随着城市间公路以及铁路的不断发展和扩发中逐渐的增多，这也导致了隧道施工质量以及隧道安全问题出现隐患的可能性越来越多，隧道衬砌是隧道工程的主要受压迫结构，因此，隧道衬砌的施工质量是保障公路或铁路能够安全运行的主要因素。研究表明，通过使用探地雷达，可以高效准确的检测出隧道衬砌在施工过程中的出现的质量缺陷，因此，本文主要针对地质雷达技术在隧道衬砌检测中的应用进行主要分析。

1 地质雷达在隧道衬砌检测过程中的优势

传统的隧道衬砌检测方式较为落后，会对隧道衬砌的本身造成损害，并且传统的隧道衬砌检测方式效率较低，已经开始逐渐被隧道衬砌检测所淘汰，随着科学技术的快速发展，地质雷达被越来越多的隧道工程衬砌检测所采用，地质雷达就一定的抗干扰能力并且操作方便，在隧道衬砌检测过程中分辨率高，满足隧道衬砌连续测量以及无损检测的要求。

地质雷达技术是一种新兴的地下探测技术，是探测地下物质以及混凝土建筑物无损检测的一项新技术，通过使用超强的高频率电磁波探测地下介质的分布，在隧道工程项目的隧道衬砌检测过程中，利用地质雷达技术的探测原理对隧道衬砌进行无损检测。地质雷达通过雷达天线对隧道衬砌发射宽频带高频电磁波，对隧道衬砌进行全断面扫描，得到隧道衬砌断面扫描图像，当地质雷达的电磁波信号在隧道衬砌内部传播，如果出现介电差异较大的介质界面时，地质雷达系统则可以通过天线向隧道衬砌检测目标发生反射以及透射和折射。因此，地质雷达技术是我国目前隧道衬砌检测内部缺陷最先进也是最便捷的仪器之一[1]。

2 探地雷达的工作原理以及工作方式

2.1 地质雷达进行隧道衬砌工作原理

地质雷达在隧道衬砌检测过程中的工作原理是通过，地质雷达的发射机通过发射天线利用高频电磁波讯号，对隧道衬砌检测岩石层的探测目标进行探测的过程中，会发生一个反射的讯号，结合隧道衬砌媒质中的传播的直达讯号通过接收天线输入接收机中，对隧道衬砌建设进行探测和定位分辨。由于地质雷达的探测是通过高频电磁波，在对隧道衬砌检测的过程中地质雷达的天线屏蔽干扰较小，可以满足隧道衬砌检测探测范围广以及分辨率高的要求，并且具备能够将实时数据信息进行有效的处理，增强地质雷达的信号功能，对隧道衬砌检测过程中进行连续透视扫描。在透视扫描的施工现场显示二维彩。因此，地质雷达的测能力优于传统隧道衬砌检测设备。

2.2 地质雷达进行隧道衬砌检测工作方式

地质雷达是利用高频电磁波作为隧道衬砌检测目标的信号源，其中地质雷达的脉冲数据可以根据隧道衬砌检测的要求灵活制定，通过宽带天线对高速脉冲转换成脉冲电磁波对探测目标进行辐射，在对于隧道地下目标的探测过程中，地质雷达可以将一部分经发射天线直接到达接收天线，而形成的直达波产生的参考数据进行探测深度的参考。另一部分则直接向隧道衬砌施工探测区域的地下媒体传播。当出现地下探测目标出现不同媒质界面时发生反射的电磁波时，地质雷达可以将反射经地面再到接收天线之后形成的反射波。地质雷达出现的反射波与相对隧道衬砌地表反射的直达波出现的时间与地质雷达电磁波从地表到探测目标，再从地质雷达探测的隧道衬砌到隧道衬砌检测地表传播的时间。当知道地质雷达的电磁波在隧道衬砌检测地下传播的速度时，就可以明确的得出隧道衬砌检测目标的检测目标以及检测的深度。地质雷达的反射波会带着隧道衬砌检测目标的性质信息数据，对记录的探测数据进行结合处理并且对反射波形成的曲线图进行详细的分析，确定隧道衬砌检测的性质以及隧道衬砌的特征[2]。

3 地质雷达在隧道衬砌检测过程中的应用

3.1 地质雷达在隧道衬砌检测剖面布设原则

目前，探地雷达在隧道衬砌检测过程中常用的方式主要是剖面法，这种方式在我国公路隧道衬砌探测中得到了广泛应用，剖面布局设计是根据隧道衬砌的质量要求，结合实际隧道衬砌路基宽度，通过探地雷达通过发射天线和接受天线以固定的间距沿着探测的路线进行同步移动，最终确定隧道衬砌剖面的数量。剖面普遍沿隧道衬砌检测的走向进行布设，且剖面的长度需要与隧道衬砌的长度相同，以便于对隧道衬砌进行连续检测。

3.2 隧道衬砌检测过程中探测参数的选择

3.2.1 按照地质雷达在隧道衬砌检测时的分辨率选择

按照地质雷达在隧道衬砌检测时的分辨率选择，对地质雷达天线中心频率的选择，需要按照地质雷达的分辨率进行筛选，如果隧道衬砌检测要求地质雷达垂直分辨率为Xm 时，地质雷达的天线中心频率，需要在满足地质雷达垂直分辨率要求的前提下筛选出频率低的天线，达到地质雷达对隧道衬砌检测深度的标准，普遍取值为6。

3.2.2 按照地质雷达在隧道衬砌检测的测深度进行选择

如果按照地质雷达在隧道衬砌检测的测深度进行选择，地质雷达的探测深度和相同隧道衬砌媒质的视电阻率，及地质雷达天线的中心频率之间产生的函数，作为地质雷达在隧道衬砌检测时的依据，对隧道衬砌检测中的参数进行估算。

3.2.3 按照地质雷达在隧道衬砌检测时窗的选择

按照地质雷达在隧道衬砌检测时窗的选择，需要按探地雷达所探测的深度，结合地质雷达电磁波在隧道衬砌媒质中的传播速度以及时窗，三者之间的关系式来代表，地质雷达时窗用时间毫微秒的数据表示出探地雷达隧道衬砌检测深度的范围。

3.2.4 按照地质雷达在隧道衬砌检测时天线移动速度选择

按照地质雷达在隧道衬砌检测时天线移动速度选择地质雷达的扫描率通常为8，地质雷达的天线宽度根据所用的天线而定，按照地质雷达在隧道衬砌检测目标的大小，按地质雷达的探测深度决定探测的方法。

3.2.5 按照地质雷达在隧道衬砌检测时采样的间隔选择

按照地质雷达在隧道衬砌检测时采样的间隔选择，根据地质雷达天线中心频率与隧道衬砌检测采样间隔之间的关系式进行探测方法的计算。采样频率需要达到地质雷达天线中心频率的3 倍，才可以保障地质雷达记录的波形完整的程度。因此，通常都会在采样率达到地质雷达天线中心频率的6 倍，使用地质雷达连续为隧道衬砌检测。

3.2.6 按照地质雷达在隧道衬砌检测时发射脉冲频率选择

按照地质雷达在隧道衬砌检测时发射脉冲的频率进行选择，通过地质雷达发射脉冲的频率和对隧道衬砌检测采样的样品以及地质雷达的扫描率进行选择。

3.2.7 按照地质雷达在隧道衬砌检测时增益选择的原则选择

按照地质雷达在隧道衬砌检测时增益选择的原则，在未知隧道衬砌检测目标埋深时，地质雷达的增益选择成指数增益，用以减掉地质雷达电磁波随隧道衬砌检测深度作指数衰减的影响。如果知道隧道衬砌检测的大概深度，地质雷达探测参数在隧道衬砌检测深度处的增益可以选择大一些[3]。

3.3 地质雷达在隧道衬砌检测中的探测方式

3.3.1 地质雷达在隧道衬砌检测中使用剖面布设原则

地质雷达在隧道衬砌检测中的探测方式可以根据地质雷达剖面布设原则的布设剖面地质探测，在地质雷达布设的剖面上每5～10m 进行隧道衬砌检测里程的标记，这样的方式方便于观测地质雷达探测数据的记录以及地质雷达探测确认的异常位置，有效的提高地质雷达测数据的解释以及地质雷达探测数据的精准度。与此同时还可以有效的选择合适的地质雷达天线频率以及地质雷达的观测时窗，并且对地质雷达的采样间隔以及移动速度等参数的设置也有着重要的作用。

3.3.2 地质雷达在隧道衬砌检测中使用连续扫描探测法

地质雷达在隧道衬砌检测过程中沿隧道衬砌使用剖面进行探测，利用地质雷达实时彩色显示的剖面图像进行探测，在探测过程中对隧道衬砌的标记位置要统一，这样可以有效的找到隧道衬砌探测的异常位置与实际标注位置相对应产生的特征波。通过地质雷达的强振幅可以满足对隧道衬砌长距离探测的连续追踪，并且地质雷达会产生波形稳定的反射波。

3.3.3 地质雷达在隧道衬砌检测中使用指数增益检测法

地质雷达在隧道衬砌检测中使用指数增益检测法也需要沿隧道衬砌剖面进行探测，通常根据隧道衬砌的不同介质地质分界面雷达产生的有效波，这种有效波的特征非常的明显，而且非常易于识别。地质雷达时间剖面的主要特征是地质雷达在进行隧道衬砌检测过程中反射波同相轴发生明显错动现象，或是隧道衬砌破碎并且带有风化的裂缝以及隧道衬砌内的含水量出现变化，导致正常隧道衬砌中的地层发生突然变化，隧道衬砌内部两侧的地表层以及隧道衬砌内的土壤层性质发生了变化，使得地质雷达的时间剖面上，为隧道衬砌地下地层上的地质雷达发出的反射波同相轴出现明显错动的现象。并且隧道衬砌内部的断层或隧道衬砌内的土壤层性质变化越大，地质雷达发出的反射波同相轴出现明显错动的现象越明显。

3.3.4 地质雷达发生的反射波同相轴的局部缺失

隧道衬砌内的地下裂缝以及隧道衬砌内部的地下性质发生突变和隧道衬砌内风化发育的程度通常是不均衡的，尤其是对于地质雷达反射波的吸收作用以及地质雷达的衰减作用，在隧道衬砌内裂缝以及裂隙的发展区域，造成地质雷达满足可连续追踪隧道衬砌内对比的雷达反射波同相轴的局部缺失。而且雷达反射波同相轴局部缺失的范围，与隧道衬砌内部的裂缝横向发展的范围，以及隧道衬砌内土壤性质的突变有着一定的关系，致使地质雷达发生反射波的波形出现畸形的变化。隧道衬砌内部的土壤中多有成分的含量，以及隧道衬砌内部土壤的盐碱性质，对于地质雷达产生的波具有电磁衰减作用。同时还对地质雷达产生的波具有吸收的作用，这种反射波同相轴的局部缺失作用，可以改变地质雷达波的波形，同时会造成地质雷达波的局部频率降低。因此，在这也是地质雷达在时间剖面上可以识别不同性质隧道衬砌边界的一个主要标志。通过地质雷达在探测隧道衬砌内部不同介质的结构特征，反射波的频率也会出现高低不同的明显特征。可以作为地质雷达区分隧道衬砌内部不同物质界面的参考依据[4]。

3.4 地质雷达在隧道衬砌检测中的数据处理方法

（1）通过隧道衬砌检测中的数据处理可以有效压制地质雷达受到干扰。地质雷达在隧道衬砌检测中的数据处理的目的是压制地质雷达随机会干扰，以及压制隧道衬砌检测中产生的规律干扰，拾取反射层的电磁回波，以及地质雷达在进行隧道衬砌检测中产生的各种有用的参考数据，最大限度的提高地质雷达的剖面信噪比。并且通过钻孔取芯与地质雷达探测显示出的图像进行对比，建立起隧道衬砌内部各层的雷达反射波组，通过对地质雷达反射波组特征的识别，将地质雷达反射波组的标志设定为同相性，同时通过对地质雷达反射波组特征的识别，获得地质雷达反射波的相似性与地质雷达产生波形的特征等。

（2）通过隧道衬砌检测中的数据处理可以找出地质雷达探测的同相轴。只要隧道衬砌内部的介质中出现电性的差异，就可以在地质雷达显示的图像剖面中，找到与隧道衬砌内部的介质相对应的反射波。根据隧道衬砌内部相邻道上的地质雷达反射波的对比，将隧道衬砌内部不同道上，通过地质雷达探测产生的同一个反射波相同并且位置也相同的区域进行连接，并且根据地质雷达产生的反射波进行对比，之后成为地质雷达探测的同相轴。

（3）通过隧道衬砌检测中的数据处理可以得出地质雷达反射波组的同相性。在隧道衬砌内部的无构造区域地质雷达产生的同一波组，通常有一组光滑平行的同相轴与隧道衬砌内部的无构造区域地质雷达产生的波组相对应，这种明显的特征可以称为地质雷达反射波组的同相性[5]。

4 结语

综上所述，在隧道衬砌检测过程中使用探地雷达技术起到的作用是显著的，但是也要注意探地雷达在隧道衬砌检测过程中的无损探测技术还有待提高，虽然我国目前隧道衬砌检测的效果较之传统隧道衬砌检测效果较强，但是探地雷达的准确率还有待提高。因此，探地雷达对隧道衬砌检测过程中对探测图像的处理和探测数据，应结合实际隧道衬砌检测环境以及地质进行有效的分析，结合实际探测的经验，完善地质雷达技术在隧道衬砌检测中的应用。