探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用研究

任永强　段兴龙

摘要：近些年，探地雷达探测技术在矿产勘探、考古、岩土工程勘查、灾害地质勘探、工程质量检测、建筑结构检测和军事目标探测等领域得到了广泛应用。隧道衬砌作为保证隧道长期稳定性和耐久性的永久性结构，如果出现脱空、不密实等缺陷，将对隧道的安全性和耐久性产生重大影响，造成大量的人力物力浪费[1]。因此，在对隧道衬砌进行无损检测时，可以快速准确地分析和处理衬砌缺陷，将大大降低后续施工和运营中的病害风险。本论述从工程实例中的隧道检测入手，进一步分析和阐述探地雷达探测图像特性，以提高雷达图像的识别能力和分析精度。

关键词：探地雷达；隧道工程；衬砌质量

中图分类号：TU470                            文献标志码：A

1基本理论

1.1探地雷达基本原理

探地雷达由发射天线、接收天线、信号处理器等部分组成。雷达波在地下介质传播过程中遇到地下目标或电参数（介电常数、电导率等）不同的物理界面，就会发生反射和绕射；雷达波在介质中的传播路径、场强、波形会因介质介电特性和几何形状而不同。因此，可以通过天线接收到反射波的往返时间、幅度和波形，对返回波进行数据分析，结合实际工程地质情况，确定地下构造分布界面或地质体的空间位置、内部结构[2-3]。如图1所示，为探地雷达的工作原理。图1中 x 为发射天线与接收天线的间距，m；D 为目标体的埋藏深度，m。

1.2电磁波传播规律

探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为

式中，εr 为相对介电常数，c 为电磁波在真空中的传播速度，ν为电磁波在介质中的传播速度。

电磁波在物质界面上的反射系數为

式中，R 为反射系数，εr 1、εr2为介质的相对介电常数。

因为不同地质体或结构物相对介电常数不同，对雷达波衰减作用也各不相同，雷达波穿过不同地质体或结构物时传播速度不同，故反射波强度也有所区别。当雷达波穿过介质材料突变体时，反射波能量就随之发生变化，通过该方法可快速高效确定地质体或结构物的构造分布[4]。

对于隧道工程衬砌质量检测，雷达波主要经过围岩、衬砌混凝土、钢拱架、钢筋和空气等介质，不同介质中雷达波的传播和反射规律描述如下。

1.2.1  混凝土

衬砌由初支与二衬组成。主要建筑材料均为混凝土，混凝土按配比充分振捣搅拌后，密实度良好，雷达波呈现连续稳定的图像，同相轴也相对稳定。混凝土振捣不充分、浇筑不密实，则雷达波图像呈局部杂乱状。混凝土浇筑密实度越好雷达波越连续稳定，根据这一规律，混凝土密实情况可以借助混凝土层雷达波形图分析来评价。

1.2.2 钢筋与钢拱架

除混凝土外，衬砌内还包括钢筋和钢拱架。钢筋和钢拱架是良好的导体，雷达波在穿过它们时几乎没有衰减，当雷达波穿过衬砌混凝土与钢筋、钢拱架间的界面时，会发生全反射，接收到的反射波能量非常强，反应在雷达剖面图上即为明显异常。通常，雷达剖面图上钢筋、钢拱架的特征图形呈双曲线，弧顶的位置即钢筋、钢拱架位置（如图2～3所示）。

1.2.3 围岩

与混凝土衬砌不同，围岩岩层通常无规则，反射信号相对较弱。由于混凝土与围岩相对介电常数差异较大，通常可以根据雷达剖面图中层状界面同相轴的位置来确定衬砌厚度。

1.2.4 空气层

探地雷达检测衬砌时，如果有空气层，就会出现异常的反射波。由于雷达波在穿过空气层时会折射，并且空气的雷达波阻抗与围岩和混凝土层的雷达波阻抗明显不同，因此在雷达剖面图中是相反方向的强烈反射波，波相为灰白相间[4]。

雷达波穿过衬砌时，会出现有规律的反射波，借助反射波雷达剖面图可以分析、推断其内部结构。隧道施工过程中，衬砌往往容易出现不密实、空洞、厚度不足等质量缺陷，这些缺陷均伴随着介质的变化，故可充分利用探地雷达进行衬砌质量缺陷的无损检测。在设置钢筋、钢拱架混凝土衬砌内，根据辨识强烈的金属反射信号，分析推断衬砌内部结构与钢筋、钢拱架的分布和数量等。

2探地雷达数据处理与分析

2.1数据采集

隧道衬砌检测时通常布置5条测线，即拱顶、左右两侧拱腰、左右两侧边墙位置。

采用 Impulse Radar 探地雷达600 MHz 屏蔽天线，对甘肃在建某隧道衬砌质量进行检测。其探测深度可达1.8 m，探测深度和精度均可以达到隧道衬砌质量检测要求，并能较准确分析衬砌实际厚度。如图4所示，为探地雷达对隧道衬砌进行无损检测的照片。

2.2数据处理

隧道衬砌检测后，将采集数据导入Reflexw专业处理软件，通过 move starttime（静校正切除）、subtract- DC- shift（DC 去直流漂移）、energy decay（增益）、sub- tracting average（水平干扰消除）、bandpassbutterworth （带通滤波）、running average（滑动平均）等步骤，去除雷达电磁波中有规律的或者随机的干涉波，保留并凸显有用雷达信号，提升雷达剖面图像质量、清晰度和可辨识度。通过对雷达反射波波形、振幅等辨识判断，最终实现衬砌厚度、空洞、密实度的综合分析。

2.2.1  原始雷达采集信息（以K97+354-K97+336段为例）

隧道出口右线 K97+354-K97+336段拱顶原始雷达信号如图5所示。

2.2.2  Move starttime（静校正切除）

直达波是雷达检测信号中的主要干扰源之一。通过静校正切除直达波，找到被测介质（衬砌）表面。如图6所示，为 move starttime后的雷达图像。

2.2.3  Subtract-DC-shift（DC 去直流漂移）

现场采集的雷达波信号原始数据通常包含偏离振幅零点基准线的子波，DC 去直流漂移就是消除偏离振幅零点的子波以及随后的延迟振荡[5]，确保子波振幅零点位于基准线上。

2.2.4  Energy decay（增益）

雷达波信号在介质中传播导致信号幅值不断衰减，后期信号相对很弱。为了增强雷达波形图的可视效果，清晰辨别分析雷达信号信息，需要通过 energy de- cay（增益）处理放大波形信号。如图7所示，为 Sub- tract-DC-shift 与 energy decay 后的雷达图像。

2.2.5  Subtracting average（水平干扰消除）

雷达波水平干扰信号在 energy decay 处理后皆被放大，为准确判断分析结果，须消除放大后的雷达波水平干扰信号。

2.2.6  Bandpass butterworth（巴特沃斯带通滤波）     Bandpass butterworth（巴特沃斯带通滤波）处理即保留低频截止频率与高频截止频率带宽间的雷达波信号[5]。

2.2.7  Running average（滑动平均）

对选定的雷达波信号数据进一步 running average （滑动平均）处理，利用平均值替换所选数据，降低雷达波数据噪声，平滑雷达图像。如图8所示，为完成处理后的雷达图像。

3工程实例

3.1甘肃在建某隧道概况

甘肃某在建隧道按双向四车道设计，隧址区高程3185.00～2943.00 m，相对高差242.00 m 。隧道左线最大埋深174.51 m，右线最大埋深182.70 m 。隧址区属多个大地构造单元的交汇部位，断裂、褶皱十分发育，构造形迹主要呈北西西向、北北西向展布[6-7]。断层、褶皱附近岩体破碎，产状不稳定，是隧道施工时最常见的不良地质，因此施工难度较大，工程质量管控须尤为重视。

现将该隧道实际检测验收过程中发现并及时解决的一些突出问题进行详细分析。

3.2确定衬砌厚度

初支喷射混凝土与围岩材质不同，两者相对介电常数值相差较大，因此初支与围岩雷达反射波信号差异显著，界限明显。由于施工技术参差不齐，隧道开挖后围岩表面均存在凹凸不平的现象，这就导致隧道初支与围岩交界面呈高低不平的连绵形状。

二衬与初支均为混凝土衬砌，其介电常数差异较小，若二衬与初支形成整体性较好，则不易在雷达图像上反映出二衬与初支的分界面。当二衬中设置钢筋、初支中架立钢拱架时，它们均会产生强烈的雷达反射波，在雷达图像上呈现出强烈且连续的反射图像[8]。则可以根据钢筋、钢拱架反射波形成的明显界限，推断出衬砌厚度。如图9所示，标出了二衬分界线。

如图9所示，二衬有钢筋段落根据二衬钢筋反射图像推断出二衬厚度。红线所标出的二衬厚度大致介于0.5～0.8 m ，满足设计厚度0.5 m 的要求，但绝大部分段落二衬厚度均超出0.6 m，造成了材料的不必要浪费。另从图9钢筋雷达波形图分析可见，该段二衬钢筋保护层厚度控制极不均匀。图10中二衬无钢筋段落根据初支钢拱架反射图像推断出二衬厚度。红线所标出的衬砌厚度大致介于0.4～0.6 m，满足设计厚度0.4 m 的要求。

3.3脱空

脱空分别包括隧道衬砌内空洞，衬砌间空洞，衬砌与围岩间空洞。衬砌内空洞通常是因初支喷射混凝土或二衬混凝土浇筑不密实所致，空洞往往较小。衬砌间空洞主要是因为二衬与初支之间的防水板鼓包形成空气夹层所致，或者是在浇筑二衬混凝土时，二衬台车变形下沉，混凝土收缩形成空腔，这种原因产生的空洞，雷达波形图像呈现为同相轴异常[8]。衬砌与围岩间的空洞主要由于围岩不稳定，掉块严重，后期未喷实，或者喷射混凝土过程中人为因素所致，空洞图像也为同相轴异常。

如图11所示，为拱顶初支与围岩间的空洞，局部均存在强反射界面，内部反射杂乱。

对图11中雷达波形图异常的段落现场钻孔核查（如图12所示），发现该段拱顶位置初支背部存在大面积空洞，空洞长5 m、宽2.5 m、深30cm。造成该段初支背部空洞的原因主要是施工单位监管不到位，劳务人员对超挖部分视而不见，故意采取不正当喷射方法制造空洞。

3.4不密实

由于隧道衬砌施工技术的局限性，经常会因一些原因导致衬砌混凝土浇筑不密实。衬砌混凝土不密实则强度降低、孔隙率变大且容易被水与风化侵蚀，在雷达图像上，具体显示为区域杂乱的强反射区域[8]。

如图13所示，二衬混凝土配比不合理，含水率过大或混凝土振捣不充分，拱顶混凝土浇筑时产生气泡，均可导致衬砌内部不密实。衬砌不密实，强度降低，往往后期采用注浆处理。

4结论与建议

（1）探地雷达检测隧道衬砌背部空洞、衬砌厚度较易实现，并且检测速度快、效率高，适用于现场大面积连续快速检测。

（2）由于隧道衬砌表面往往凹凸不平，雷達天线在检测过程中随着衬砌表面起伏，容易产生较大干扰信号。在检测长大隧道时，累计的里程误差往往会因为里程长而扭曲检测结果。故在进行检测工作时需特别注意尽量减少人为错误，提高检测精度。

（3）建议除检测单位之外，管理单位可创新性开展隧道探地雷达衬砌检测工作，更准确可靠掌握隧道衬砌质量缺陷，杜绝检测单位检测数据敷衍造假现象，规范检测单位管理，有效提升隧道施工质量。

5结束语

本论述通过简述雷达波检测原理，研究分析了不同材质对电磁波反射情况的影响，明确了雷达信号处理方法和雷达剖面图的分析辨识。借助工程实例，通过电磁反射波图像分析确定衬砌中混凝土、钢筋、钢拱架等材质的分布情况和衬砌内部结构，判断识别雷达波异常图像，得到衬砌中具体质量缺陷类别和精确位置，并形成对各种质量缺陷、病害图像特征的论证和总结，为工程检测人员提供经验参考，为施工技术人员提供技术支持，以达到隧道衬砌施工质量提升的目的。

参考文献：

[1] 刘艺玮.探地雷达衬砌检测典型缺陷图像特征研究[J].四川建筑，2019，39（6）：131-132，135.

[2] 陈伟，常军，巩文龙.探地雷达在隧道衬砌缺陷检测中的应用[J].苏州科技大学学报（工程技术版），2020，33（3）：54-61，71.

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[4] 任东亚.基于地质雷达图像数据的铁路隧道衬砌病害识别与安全性评估系统研究[D ].北京：北京交通大学，2017.

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