地质雷达在隧道检测中的应用及图像分析

摘要:地质雷达是目前隧道质量检测中使用最为广泛的一种地球物理探测技术，利用地质雷达对隧道的衬砌厚度、衬砌背后空洞以及钢筋、初支钢架分布等情况进行检测早已成为控制其工程质量的一项重要手段和方法。本文对地质雷达技术在隧道检测中的应用进行了介绍，并对典型的雷达图像进行了分析。

【关键词】地质雷达；隧道工程；检测；分析

中图分类号：U456.3 文献标识码：A文章编号：

0 引言

随着国家近几年对交通事业的大力投入，尤其是近几年铁路行业的跨越式发展，大量的高铁、客专、重载铁路项目不断开工建设，我国隧道的数量和长度也在迅速增长。但是在建设的过程中，存在的种种质量问题也是我们不容忽视的。目前隧道开挖主要采用的是钻爆法，爆破效果控制不好，就容易出现超挖或者欠挖的现象，这样就给后续的隧道二衬施工造成一定的难度，也容易出现质量问题，不是衬砌内存在较大空洞就是二衬厚度无法满足设计要求。另外，隧道施工时，往往也存在人为造成的质量问题，如：初支背后放置石棉网，不按设计要求设置衬砌钢筋和初支钢拱架等。这些质量问题如果不及时发现将会给施工和营运安全带来严重的隐患。所以，采用地质雷达对隧道衬砌进行检测就成为控制其工程质量的不可缺少的重要手段和方法。

1 地质雷达工作原理

地质雷达工作原理可以简述为：发射天线将高频电磁波以宽频带脉冲形式发射出来，经目标体反射或透射，再被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随着介质的电性质及集合形态的改变而变化。

因此通过对时域波形的采集、处理和分析，就可确定地下界面或者目标体的空间位置和结构形态。地质雷达具有无损性、高效率、连续检测等特点，特别适合于隧道衬砌质量的检测。

检测时，发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动，其结果可用地质雷达时间剖面图表示，其中横坐标记录了天线所在测线的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经电介质界面反射回到接收天线所需的时间，这种记录能准确描述测线下方各反射界面的形态（图1、图2）。

图1电磁波遇到目标体反射示意图 图2地质雷达时间剖面图

电磁波由地面向下发射，再经反射回到地面，行程时间为：

式中：z为反射界面深度；v为电磁波在介质中的传播速度；x为发射天线和接收天线之间的距离。

当介质的导电率很低时，电磁波在介质中的波速为：

其中：c为光速(c=0.3m/ns)，为地下介质的相对介电常数值，可利用现成数据或测定获得。

电磁波在两种不同介质的表面将会发生反射，其反射信号的振幅大小与反射系数成正比，反射系数R可以表示为：

式中: 为相对介电常数，其中下标1和2分别代表两种不同的介质。

从上述公式中可以看出，反射系数与界面两边介质的介电常数有关，介电常数差别越大，反射系数也就越大，因而反射波的能量也就越大，所以该部位就能在雷达图像中被明确的显示出来。

正是基于以上电磁波在介质中的传播特点，我们才能利用其进行隧道检测工作，进而对其内部质量进行评价，起到指导下一步施工的目的。

2 地质雷达现场检测

现场测试雷达使用的是美国产的SIR-3000型地质雷达，所用天线为地面耦合式一体化屏蔽天线，发射和接受天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线滑动，由雷达主机发射高速雷达脉冲，进行快速连续采集。雷达每秒发射64个脉冲，每米测线约有测点40～60个。

雷达时间剖面上各测点的位置和隧道里程要相互联系，为保证点位的准确，在隧道衬砌表面每10米作一里程标记。整理内业资料时，根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程，在雷达时间剖面上标明里程桩号。现场测试的具体情况如下：

2.1 天线的选择

针对本次隧道衬砌的检测情况，主要从分辨率、穿透力和稳定性三个方面综合考虑，我们选择了400M天线。400M天线穿透力强，可以检测围岩和衬砌间是否存在空洞或空隙，测定二衬的厚度、钢筋和钢拱架数量。

2.2 记录参数的确定

根据现场调试结果，确定主要参数如下：

1）支架车辆行驶速度控制在5kM/h左右；

2）每道采用512个时间采样点；

3）400M天线的时窗取35ns；

4）采用3点分段增益，由浅至深线性增益；

5）采用连续检测方式，每10m打一标记。

2.3 测线的布置

检测时沿隧道纵向布置六条测线，分别位于两侧拱腰、两侧边墙、仰拱（线路中心线）和拱顶。

图3地质雷达布线示意图

3 地质雷达现场检测图像解析

3.1 初支钢支撑雷达图像

图4雷达反射典型图像1

本段检测图像反映的是隧道初支情况，由于钢拱架为金属结构物，电导率很大，电磁波无法穿透，能量几乎全部被反射回来，因此在雷达剖面上对钢质的拱架呈现出弧形强反射，很好识别。本段隧道钢拱架设计间距为0.8m，实测雷达图像拱架平均间距约为0.8m，拱架布设均匀，满足设计要求，见图4。

3.2 二衬钢筋雷达图像

图5雷达反射典型图像2

本段检测图像反映的是隧道二衬情况，二衬设计为钢筋混凝土，钢筋间距为20*20cm，拱架间距为0.8m。在一般情况下，由于二衬钢筋对电磁波的影响，初支的钢拱架很难识别出来，但是通过反褶积运算处理，能清晰的看见钢筋数量，而且下部的钢拱架数量也能进行识别。该隧道模板长度为10m，从图像上数出实测钢筋49根（设计应为50根），拱架13榀（设计应为12-13榀），均满足设计要求，见图5。

3.3 衬砌空洞雷达图像

本段检测图像反映的是典型的空洞。由于空气与混凝土的介电常数相差较大，电磁波会在空洞上下界面（两种不同介质的表面）产生强烈的反射信号，同时在下界面还将产生绕射信号，最终表现为不规则的弧形多次反射，见图6。注意，雷达数据后期处理时输入的介电常数是混凝土对应的介电常数值，而空洞中存在的介质是空气（也有可能是潮湿的空气），两者介电常数相差很大，导致电磁波在空洞中的波速难以确定，所以空洞的厚度也就无法精确计算，只能给出粗略值。

图6雷达反射典型图像3

采用泵送混凝土模筑工艺施工时，容易在拱顶施工接缝处出现三角形空洞，见图7、图8。

图7拱顶二衬施工示意图图8雷达反射典型图像4

3.4 衬砌脱空雷达图像

本段检测图像反映的是隧道衬砌脱空情况。施工时，衬砌混凝土与围岩的结合不够紧密，导致在其之间存在一层空隙。这样，当电磁波进入到由衬砌混凝土和空隙之间时，由于两者介电常数的差异，产生强烈的反射信号，但相位不发生改变；同理，当电磁波再从空隙进入到围岩时，再产生一次强烈的反射信号，同时相位发生改变，见图9。

图9雷达反射典型图像5

3.5 回填欠密实雷达图像

光面爆破效果不好时，容易导致隧道出现超挖，处理这种情况一般采用片石对超挖部位进行回填（高铁要求喷射混凝土进行回填），由于片石之间存在空隙，这种回填往往容易导致初衬与围岩之间的不密实，有时还会伴随着空洞的存在，因此在雷达采集图像上表现出杂乱的强反射，见图10。

图10雷达反射典型图像6

4 结语

随着目前国家对隧道工程质量的要求越来越严格，隧道竣工验收前都必须对隧道进行全面的地质雷达扫描、二衬混凝土强度回弹及二衬及仰拱钻孔取芯这三项检测工作，在这三项检测工作中，又尤以地质雷达检测最为关键重要。

地质雷达作为一种无损检测技术，在我国目前各种工程实践中已经取得了一致的认可，尤其是在各种隧道工程质量检测中，它能够在不破坏现有结构的前提下，对已施工的隧道衬砌厚度、衬砌背后空洞以及钢筋、初支钢架分布等情况进行探查，并能及时发现施工中存在的问题和弊端。通过对整治后的隧道工程质量进行再评估，最终保证隧道工程以后运营的稳定性和安全性。

参考文献

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