如何提高雷达法检测隧道衬砌质量的精度

田柏林 （中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215000）

0 前 言

地质雷达作为一种无损检测设备，具有快速、高效、连续等优点，能够对隧道衬砌、隐蔽工程、地下管线等进行连续扫描检测，使用方便。雷达扫描图像与光学图像不同，需要人工进行分析，才能得出检测结果。即使对同一雷达图像，不同经验和水平的人得出的结论并不完全相同，因此对图像的分析直接影响检测的准确性，而获得高质量的雷达图像是准确分析的基本前提。本研究致力于找出影响雷达法检测隧道衬砌精度的因素，为检查施工质量、改进施工工艺等工作提供可靠的技术支持。

1 图像成像质量的影响因素

1.1 仪器设备因素

1.1.1 天线的选择

地质雷达的天线根据中心频率的大小分为多种型号，一般隧道检测常用的天线为400MHz～900MHz。地质雷达检测原理是利用天线发出的宽频带高频电磁波信号探测介质结构分布从而形成扫描断面的雷达图像。对于某一确定的介质来说，电磁波在其内部传播的速度是一确定数值，传播距离的大小跟频率有关。频率越低传播得越远，同时其精度越低；波频率越高传播得越近，其精度越高。由公式（1）c=λf（式中：c 为电磁波波速；λ 为波长；f为频率）可知，电磁波的频率和波长互为倒数，因而探测精度的高低和天线频率的大小是矛盾的[1]。所以要根据被测物的深度（厚度）选择频率适当的天线，兼顾探测深度和精度，以获得最佳的探测效果。图1、图2是某铁路隧道边墙分别由400MHz、1200 MHz两种频率天线测得的图像。

图1 400MHz天线测得图像

图2 1200MHz天线测得图像

从图1、图2可以看出同一被测物利用不同天线采集到的图像差别是很大的,1200MHz天线检测到的钢筋的精度要明显高于400MHz天线检测到的图像；同时我们发现，400MHz天线可以检测到除钢筋以外衬砌内部更深位置的混凝土衬砌、岩石的分布情况，而1200MHz天线采集到的图像上则看不到这些信息，这是因为天线本身的固有频率制约了探测深度，决定了探测能力的大小。为了实现不同的检测目的，天线的选择至关重要。

1.1.2 参数设置

1.1.2.1 采样时窗的大小（ns）

采样时窗即电磁波从天线发射出来以后进入介质到被目标物反射回来被天线接收到的双程走时，雷达天线的工作原理见图3。

图3 雷达天线工作原理

由公式（2）v=2h/Δt 可知,采样时窗的大小至少要足够电磁波在该层深度（厚度）的介质内的双程旅行时间（Δt），否则雷达主机记录不到完整的目标体反射信号；采样时窗也不宜设置过大，过大会记录到目标物以外位置的其他反射信号，这些无用信号可能会很强，从而干涉目标物的反射信号，对垂向分辨率产生影响。

因此，采样时窗的设置要结合目标物的深度（厚度）（h）、介电常数（ε）两个参数来进行。一般认为采样时窗长度（R）应满足如下关系：R=2hε1/2/0.3=6.6 hε1/2，（公式3），ν=，（公式4），同时应使目标物的反射信号在采样时窗的1/3～2/3范围内[2]。

1.1.2.2 叠加

“叠加”参数的功能是为了增加信噪比，对每一点的测量结果进行硬件增益及光滑，记录的轨迹为经过硬件增益及光滑后的结果。该参数的调整直接影响到扫描速度，增大参数值可显示较弱信号，能够提高图像质量，但因此也降低了扫描速度。因为扫描速度过快会导致雷达主机记录不到某些断面的扫描图像，造成漏检情况的发生。因此，“叠加”参数的设置要与相应的扫描速度相匹配。

1.2 数据采集模式

对雷达法检测精度影响最关键的因素则是雷达图像成像质量的优劣。当各种因素的影响导致图像质量很差时，就无法精确判别构造物内部的缺陷，如图4所示为雷达天线因障碍物而脱开衬砌表面形成的图像。因此在采集图像时要事先清理测线走行路线上及附近的障碍物，避免在数据采集时因障碍物的影响漏掉某一位置的图像导致不连续。

一般常用的采集模式主要有连续模式和测距模式，下面对这两种模式的优缺点进行比较。

1.2.1 连续模式

如图5所示，这种采集模式是最为常用的一种采集模式，在隧道衬砌检测前每隔固定间隔（如5m、10m）在衬砌表面打点标记，里程标记应准确无误。这种采集模式下要求在采集过程中连续行走，行走速度尽量均匀，避免时快时慢，更不应停顿。当天线沿测线行走遇到里程标记时按下雷达主机标记按钮，扫描图像上显示该里程标记，从而能够使被测物图像与实体一一对应。

图4 天线离开衬砌表面

图5 连续模式采集

在用该种模式进行检测时尤其需要注意的，一是要行走速度尽量均匀，这就保证采集到的图像跟实体成比例；二是只有当天线正好经过事先确定好的里程标记时操作雷达主机上的打点标记按钮，使得采集到的图像能够跟实体准确无误对应。

1.2.2 测距模式

如图6所示，该采集模式的原理是利用测距轮（距离传感器）只有在行走时才触发天线发射电磁波，雷达主机才开始记录被测物反射信号。这种模式的优点在于当被测对象长度较小或比较平直，在天线沿直线行走时能够与实体较好对应，不会漏检也不会产生无用信号；而缺点在于实际检测时测线往往并不是理想的直线，天线的行走轨迹无法保证按直线进行，这就导致记录图像与实体有较大出入。再者，由于测距轮本身的磨损会日益加剧，应在每次检测前和检测后对测距轮的直径予以测量、校准，才能保证测距轮测距的准确性。

图6 测距模式采集

图7 衬砌混凝土与围岩界面

通过以上两种采集模式的对比、结合实际检测经验我们总结出，在检测前应根据被测对象的实际情况选择合适的采集模式，才能达到最佳的采集效果。

2 被测物的影响

2.1 介电常数的标定精度

地质雷达发出的电磁波产生反射的前提是介质内部不均一而导致介电常数发生变化。相邻介质的反射系数：（公式5），式中ε1、ε2为相邻两层介质的介电常数。介电常数差别越大，反射越强，反射系数的绝对值也越大。反射系数的正负是由电磁波依次入射的两层介质的介电常数决定的，反应在图像上的差别为反射波的相位不同。因此，在进行隧道衬砌检测时当电磁波从内部构造比较均一的混凝土层进入到充满裂隙、富水等复杂构造的围岩层时，由于介电常数的差异会引起电磁波的反射，介电常数差异越大，反射越明显，从而区分混凝土层和围岩的界面，得到混凝土层的厚度，如图7所示。

混凝土的介电常数随其构成材料的不同而有一定差异，这就要求检测人员要对衬砌混凝土的介电常数进行标定，才能从检测文件中获得准确的衬砌混凝土层的厚度值。标定可以选择在该隧道相关结构物上进行，标定时需注意标定部位与其他被测部位的原材料基本相同、混凝土强度和配合比基本一致。采用钻芯法量取厚度或在衬砌端头直接量取厚度h，利用公式（2）v=2h/Δt、公式（4）ν=，计算出相对介电常数ε，输入数据处理软件，提高厚度检测的准确性。如图8、9为同一位置当介电常数分别为6.0和10.0时的厚度值。

图8 介电常数为6.0时的厚度值

图9 介电常数为10.0时的厚度值

从图8、9可以发现，当介电常数为6.0时该位置的厚度为50cm，而当介电常数为10.0时，该处的厚度值约为40cm，两者相差达10cm。由此看出介电常数不准确将对厚度值的判别带来很大的误差。

2.2 混凝土龄期

由于水的介电常数为81，普通混凝土的介电常数一般在4～10之间，当混凝土龄期较短时，混凝土内部存在较多水分，在一定程度上会对雷达扫描图像产生影响。因此在对混凝土结构质量进行检测时，混凝土的龄期应大于60d3]。

3 准备工作及特殊地质

隧道工程中围岩的情况是复杂多变的，不同等级的围岩其衬砌设计也是随之变化的。检测前的准备工作应包括仔细查看设计图纸，记录预埋物安放的位置及数量；详细查看施工记录、询问现场施工技术人员在隧道施工过程中围岩的变化情况，记录围岩较差、比较发育、裂隙破碎带等加固处理的位置，在检测完毕后文件处理时参考使用；在检测过程中，实时记录测线经过位置所遇到的预留沟槽、配电柜、避车洞、消防设备等预留洞室的位置、大小等信息，以便后期图像处理时查阅，排除干扰，避免与混凝土内部缺陷混淆，造成误判。如图10为某铁路隧道经过加固处理的围岩扫描图像。

4 外界干扰

4.1 环境条件

雷达天线发射信号不仅仅是向被测物一个方向发射，同时会朝其它方向发射信号，由于隧道在环向是封闭空间而非开阔环境，因此天线发射的信号在隧道另一侧或其他物体上的反射信号也会被天线接收到。虽然这些信号的强度可能很弱，但经过信号叠加等可能会形成比较明显的干扰波，这就要用到处理软件进行滤波，去除杂波干扰。

4.2 周边金属物质的影响

图10 某铁路隧道经过加固处理的边墙雷达图像

图11 雷达天线逐渐接近衬砌台车时的反射图像

由于金属材料的介电常数是无限大的，当雷达波遇到金属物体时会产生非常强烈的反射，如图11所示为天线逐渐靠近衬砌台车时的雷达图像。隧道工程检测时遇到的金属物体主要有墙壁上铺设的电力线缆及支架、施工机具、衬砌台车、风机预埋底座以及在地上堆放的钢筋等，在检测前应对此类物品进行清理、整理到测线以外或尽量避开，以避免、减少干扰信号的形成。

5 典型图像

雷达波对介质的反射图形具有一定的特征、规律，因此我们应对此类典型图像要有明确的认识和理解。以下列举几种最常见的雷达反射图形，在对雷达扫描图像分析时可供参考（如图12～图18）。

图12 某高速公路隧道照明、风机电缆预留槽

图13 钢拱架反射图像

图14 隧道下锚段、避车洞反射图像

图15 自制模型中钢筋反射图像

图17 空洞的反射图像

图18 脱空的反射图像

6 图像处理

6.1 人员素质

检测人员应具有地质雷达方面丰富的专业知识、熟知设备的性能及使用方法，在检测工作中不断积累经验，善于分析总结，提高对检测图像的分析能力、技巧。

6.2 数据处理软件的运用

对于部分成像质量不佳的检测文件可以通过图像处理软件，运用技术手段对较弱信号进行增益处理以增强信号强度，除去反射杂波，排除障碍物干扰信号，对检测到的有用信号进行识别，充分利用图像提供的信息，提高检测精度。如图19、20为经过软件处理前后的对比。

图19 原始反射图像

图20 经软件处理的反射图像

6.3 检测实例

隧道衬砌施工过程中出现一些问题是在所难免的，利用雷达法对隧道衬砌实时进行跟踪检测无疑会起到积极的作用，实践证明这种方法是切实可行、方便有效的。经过对检测文件的分析，可以判别实体工程存在缺陷的位置及种类，从而指导后续施工、改进施工工艺，避免类似问题的继续发生或对已经存在的问题进行处理、改正，保证工程质量。如图21为某铁路隧道拱顶从检测文件上判断为脱空的图像，图22为对该部位实体上钻孔注浆处理，证实该部位存在脱空缺陷。

图21 隧道拱顶脱空雷达图像

图22 隧道拱顶脱空处注浆处理

7 结 论

①根据实际情况，合理选择仪器设备、参数及采集方式，尽可能提高图像的采集质量，为图像分析提供可靠保障；

②对设计情况及特殊地质在检测前要进行充分了解，以便在后期图像处理时参考；

③对各种干扰形成的强烈信号要有明确认识，避免与被测物信号产生混淆；

④提高对典型图像的认知、分辨能力，必要时制作相关模型，加强对比；

⑤加强技术手段的运用，对图形进行处理，去除干扰信号、甄别有用信息，提高对图像的解释精度，进而提高检测的精度。

通过本研究，我们找出了影响雷达法检测隧道衬砌质量精度的各种影响因素，对今后开展隧道衬砌质量的检测工作将有很大的帮助。对于就如何提高图像本身的解释精度我们将进一步进行深入探讨。

[1]李孟娟,李川.探地雷达检测隧道衬砌厚度的研究[J].物探化探计算技术,2008（3）.

[2]熊昌盛.提高地质雷达在隧道二次衬砌检测中探测精度的方法[J].铁道建筑,2008(1).

[3]汪谋.地质雷达探测效果影响因素研究[J].雷达科学与技术,2007(2).