地质雷达在隧道检测中的空洞图像分析

张海红（甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州 730050）

地质雷达在隧道检测中的空洞图像分析

张海红
（甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州 730050）

地质雷达技术是随着高频电磁波和信号处理技术发展起来的一项无损检测技术。本文以地质探测空洞为基本原理，对隧道检测中的空洞图像进行了具体分析，以便更好的了解隧道初次支护和二次衬砌中存在空洞的情况，分析对其安全及运营的影响，为隧道施工质量检测和维护提供指导。

地质雷达 隧道检测 空洞 图像

随着我国公路、公路网发展快速发展，隧道建设将越来越多。隧道初次支护和二次衬砌中存在空洞将对隧道的建设的安全及运营的安全严重的影响，因此，空洞的探测是隧道建设质量检测和隧道维护检测中重点探测的病害之一。在二次衬砌中，模板与模板交界处，经常会出现直角三角形空洞，在初次支护或二次衬砌中经常会出现近似圆形或矩形空洞及类似几种形状的组合形式空洞。为了更好的对各种形状的空洞进行数据解释。本文通过数值模拟和物理模型试验选取了比较有代表性的形状即直角三角形、矩形和圆形进行研究。总结了各种形状的空洞地质雷达图谱特征，为隧道施工质量检测和维护检测提供指导。

1 地质雷达探测空洞原理

地质雷达工作原理是使用频率为nMHz～nGHz 的电磁波， 通过发射天线向介质发射宽频带短脉冲电磁波，电磁波在介质中沿特定的方向传播，当遇到介电常数不同的分界面时或目标物发生反射，由介质表面的接收天线接收，根据接收到雷达波的波形，振幅强度和时间变化特征推测界面和目的物。根据电磁学理论，当电磁波在地下介质传播时，遇到不同电介质的分界面时，由于上下界面的电磁性差异，将发生反射和折射。两侧介电常数的差异决定了反射系数大小；又因为雷达反射波的振幅大小与反射系数成正比，因而，当相邻介质的相对介电常数差异越大，反射系数就越大，反射振幅也就越大，反射界面也就越容易识别；当相邻介质的相对介电常数差异越小，反射系数越小，反射振幅也就越小，反射界面越不容易识别，介质的界面和目标物也就越不容易找到。

2 探测实验

2.1 工程概况

西狭隧道为左右行分离式的双洞特长隧道，位于十堰至天水高速公路甘肃段，天水端洞口段为小净距。隧道右线起讫桩号为YK599+71 5～YK603+005，长32 90m；左线起讫桩号为ZK599+715～ZK603+017，长3302m。

2.2 实验概述

物理模型：利用硬纸板制作成直角三角柱和长方体，由于硬纸板不容易制作成圆柱体，利用两端用硬质板堵住PVC管制成圆柱体。将圆柱体、直角三角柱和长方体依次埋置于砂槽中心。模型的埋置为：模型顶面埋深为5cm，沿砂槽纵向二维剖面得到的形状分别为圆形、直角三角形和矩形空洞。圆形空洞的直径为10cm，直角三角形的直角边边长均为30cm，矩形的的边长分别为20cm和30cm。本次探测使用的地质雷达为加拿大产的Ekko，使用的天线为频率1GHz。

2.3 探测结果

应用地质雷达对依次埋有圆形、直角三角形和正方形的空洞砂槽进行探测，其探测结果各图存在以下共性，各图形到强反射信号顶面的时间相同，反映了各图形埋置深度相等。在2.2m 左右，存在双曲线强反射信号，且存在多次反射，其是砂槽边缘存在金属挡板造成的干扰。图1（a）中，在深度1.3ns，水平距离1m 处存在一条双曲线强反射信号；图1（b） 中，在深度1.3ns，水平距离1m 处存在倾斜线型强反射信号，且其下存在多次反射强反射信号，在直线浅部端存在弧形强反射信号，该反射信号相对于直线信号稍弱；图1（c）在深度1.3ns，水平距离0.8m 至1.2m处存在水平直线型强反射信号， 且其下存在多次反射信号，在其两侧存在多次弧形散强反射信号，且其信号比直线强反射信号稍弱。

3 地质雷达图形分析

（1）单点反射波波形图。地质雷达单点反射波波形图横轴代表探测距离，纵轴代表电磁波相对振幅。是地质雷达发射一次电磁脉冲得到的反射波图像。从单点反射波波形图中可以看出反射波的振幅、频率、相位等信息。

（2）反射波波形堆积图。地质雷达反射波波形堆积图横轴代表测线长度，纵轴代表探测距离。波形堆积图通过地质雷达连续测量得到，其实质是多个单点反射波波形并排组合的图形。该剖面图是地质雷达最常见的成果解译图件，其直观地描绘出了沿测线的断面反射波变化特征。相比于单点反射波波形图，波形堆积图最重要的图像信息是同相轴形态。

（3）反射波彩色堆积图。地质雷达反射波彩色堆积图横轴代表测线长度，纵轴代表探测距离。彩色堆积图同样通过地质雷达连续测量获得，是在波形堆积图的基础上以不同颜色表反射波不同的振幅大小，相比于波形堆积图，彩色堆积图更直观、清楚。

（4）反射波频谱分析图。雷达反射波频谱图横坐标代表频率值，纵坐标代表反射波能量值。由于介质对雷达波能量的吸收总是从高频开始，故频谱图显示了反射波能量损耗状况。

4 结语

通过数值模拟和物理模型实验可知，应用地质雷达可以探测到圆形空洞、直角三角形空洞和矩形空洞的存在。圆形空洞的地质雷达图像特征为：存在双曲线型强反射信号；直角三角形空洞地质雷达图像特征为：存在倾斜直线型强反射信号，且其下存在多次反射，直线浅部端点处存在散射波；矩形空洞的地质雷达图像特征为：存在水平直线型强反射信号，且其下存在多次反射信号，在直线两端存在散射强反射信号。

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