隧道工程车载探地雷达检测应用分析

唐伟

（厦门铁研工程科技检测有限公司）

近几年，我国建成隧道长度不断增加，隧道工程在交通体系中占据着越来越重要的地位。在隧道运营后，因长时期地质水文作用以及线路荷载振动干扰，隧道病害高发，严重威胁着隧道安全。车载探地雷达检测是隧道工程主要无损病害诊断手段之一，利用车载探地雷达检测技术，可以一次全断面高速诊断隧道病害，为隧道病害的及时发现、定位、解决提供依据。因此，探索隧道工程车载探地雷达检测技术具有非常突出的现实意义。

1 隧道工程车载探地雷达检测内容

1.1衬砌状态检测

衬砌状态检测主要是检测衬砌厚度及其内部缺陷、衬砌背后空洞及其回填情况等，如衬砌局部不密实表现为雷达界面强反射信号同相轴呈绕射弧形，信号较分散，而衬砌密实则表现为雷达界面信号幅度较弱甚至无界面反射信号[1]。一般隧道工程衬砌状态车载探地雷达检测用天线多选择空气耦合式天线，拱顶接触网两侧设置2 组天线，车体安装6 组天线，接触网遮挡时增设1组天线，天线距离边墙1.5m，距离拱顶1.7m～2.0m。

1.2渗漏水病害检测

隧道工程渗漏水病害复杂多变，可利用车载探地雷达检测隧道不同区域渗水位置、渗水程度，为渗漏水病害处理提供依据。一般隧道工程渗漏水病害检测需选择中心频率为300MHz 的天线，在距离衬砌表面1m 位置监测空气层、衬砌层、围岩层渗水区域。根据雷达数据各种信号为衬砌水病害处理提供依据。

2 隧道工程车载探地雷达检测方法

2.1检测工具选择

车载探地雷达检测工具主要为检测天线、牵引车、车载探地雷达系统。一般检测天线为短喇叭型空气耦合天线，天线盒为屏蔽雷达信号与其他通信源的金属壳，可同时满足2侧边墙、拱顶、拱腰检测要求[2]。

2.2检测参数确定

车载探地雷达检测主要用剖面法，即发射天线、接收天线以固定间距沿着测线同步移动测量。在测量前，技术人员应选定车载探地雷达检测系统参数，包括天线中心频率、间距、采样频率、采样时窗等[3]。其中天线中心频率应以满足分辨率要求以及场地条件为依据，优选低中心频率天线，降低接触网、铜芯电缆、信号灯、围岩中非均匀体对检测目标的干扰。同时根据有耗介质内电磁波传播能量衰减特点，可以车载探地雷达检测天线可接收最远距离反射信号为依据，进行天线中心频率的选择，见表1。

表1 频率与可接收最远距离反射信号

在车载探地雷达检测天线中心频率确定后，技术人员可以依据车载探地雷达最大探测深度与电磁波传播速度的关系，确定脉冲记录道中首个点到最后一个点期间的时间长度，即采样时窗，估算方程如下：

式中，W为车载探地雷达检测采样时窗，一般时窗需预留30%余量；hmax为车载探地雷达最大探测深度；v为介质中电磁波传播速度。

车载探地雷达垂向分辨率应大于等于地层厚度的1/4 波长；车载探地雷达横向分辨率需大于第一菲涅尔带半径，第一菲涅尔带半径与雷达子波波长、异常体埋藏深度有关，具体如下：

式中，rf为第一菲涅尔带半径，m；λ为雷达子波的波长，nm；h为异常体的埋藏深度，m。

2.3外业检测

车载探地雷达外业检测主要用多通道雷达技术，每一通道均可错开发射信号、接收信号，保持高效率运行。一般多通道高速扫描速率与系统脉冲重复频率具有较大关系，即车载探地雷达检测扫描速率为雷达系统电磁波脉冲重复频率（Hz）与每道采样数据采样点数的比值。比如，在车载探地雷达检测电磁波脉冲重复频率为500kHz、每道采样数据采样点数为512 个时，车载探地雷达检测扫描速率大约为976scan/s。

2.4数据处理

在车载探地雷达检测扫描数据获得后，检测操作人员应将多通道雷达数据文件分割为单通道数据，促使处理操作次序、参数全部文件化，高速同步切换处理多通道数据。常见数据处理操作为去背景、去直流分量、信号自动增益、高速低通滤波等[4]。其中去背景操作主要是提取衬砌以及围岩有价值信号，规避阻抗不匹配引发雷达水平回波信号噪声，凸显衬砌及其下部围岩信号；去直流分量操作主要是借助单道信号减去实际通道信号均值，压制直流漂移分量，规避雷达剖面数据正负半周不对称问题；信号自动增益主要是针对隧道衬砌、隧道围岩有损耗介质内电磁波传播衰减特点，适当补偿目标信号衰减量，获得更加清晰的衬砌与围岩深部目标反射信息；高速低通滤波主要是利用带通滤波器对雷达信号进行滤波，截留高频、低频分量，避免杂波毛刺干扰信号。处理后，技术人员可以选择通道进行比较分析，以判断隧道病害性质以及面积。

3 隧道工程车载探地雷达检测案例

3.1隧道工程概述

某隧道工程里程为HY15+480～HY15+660，呈东西走向。工程所处场地为Ⅰ级阶地，呈侵蚀～堆积地貌。现拟选择XJ-VMGPR 型车载探地雷达系统（成都西安交大研究院有限公司研发）检测隧道衬砌厚度与渗透水病害。已知健康衬砌相对介电常数为7，渗水衬砌相对介电常数为30，健康衬砌电导率为0.001s/m，渗水衬砌电导率为0.01s/m。

3.2车载探地雷达检测操作

在车载探地雷达检测操作前，根据隧道车辆限界要求，安装3 组空气耦合天线，总布置6 条，分别在隧道左边墙、隧道右边墙、隧道左拱腰、隧道右拱腰、隧道左拱顶、隧道右拱顶。雷达天线极化方向与隧道横断面成90°，天线高度分别为0.6m、0.75m、0.9m、1.05m、1.10m，空气耦合天线与边墙相距0.93m～1.5m，天线与隧道拱顶相距1.7m～2.2m，天线与隧道衬砌表面距离为0.8m，接收天线与发射天线距离为0.05m。随后设定车载探地雷达检测天线中心频率300MHz。

确定隧道内部无车辆、工程机具、堆料阻挡以及通讯设备干扰时，选择平整路面进行检测，避免检测牵引车大幅度颠簸造成雷达数据层位精度下降。全程检测范围为距离隧道衬砌表面2.0m深，检测时窗60ns，采样点数为512，网格步长0.02m，扫描速率为976scan/s，扫描间距16mm，测试速度为175km/h，检测速度在80km/h以内，选择道间距为5cm。

3.3车载探地雷达检测结果分析

外业检测进入尾声后，经信号处理系统生成雷达数据。根据雷达数据检测结果，可以判定隧道状态。案述工程预处理参数见表2。

表2 隧道衬砌数据预处理参数

根据表2 预处理后，选择车载探地雷达检测系统自带DCC 直流分量修正、BGR 背景去除、AMP 信号放大等方式，识别层界面及有价值信号，输入波速，拾取隧道二次衬砌厚度界面并存入Excel表格，得出结果局部见表3。

表3 隧道二次衬砌厚度统计分析结果

由表3 可知，检测段衬砌厚度和设计结果相差较小，合格率达到98%以上。表明车载探地雷达检测适用于隧道衬砌厚度检测，可以清晰展示衬砌管片上下界面信号，显著提高隧道衬砌厚度检测精度与可信度。

提取健康衬砌、隧道渗水衬砌表面反射信号平均振幅、衬砌中双程走时，得出结果见表4。

表4 隧道健康衬砌与渗水衬砌传播参数

由表4 可知，编号1 为健康衬砌，编号2、3、4 均为渗水衬砌，渗水衬砌表面反射电磁波信号强于健康衬砌表面反射信号，且隧道衬砌渗水信号反射强烈程度与渗水病害严重程度成正相关。对比分析编号2、3、4 对应数据可知，在渗水衬砌中，电磁波传播能量衰减快，双程走时长。表明车载探地雷达适用于隧道渗水衬砌检测，可以在一定范围内探测隧道渗水病害位置，并根据信号反射速度、振幅判定渗水病害程度。

4 结语

综上所述，车载探地雷达检测是根据电磁波传播理论，经发射天线向被探测隧道发射高频电磁脉冲，在电磁波传播到隧道交界面时，因介质电性差异，部分雷达波能量可在界面出现反射，反射能量可被接收天线接收，为隧道状态诊断提供依据。检测人员应明确车载探地雷达检测在隧道工程中的快速、全断面优势，合理设计车载探地雷达检测参数，均匀布置测线，并分析反射信号时延、频谱特性、波形等参数，为目标隧道介质厚度、性质、病害位置及危害程度信息的解译提供依据。