地质雷达在隧道无损检测中的应用

■王雪瑞

(福建省高速公路达通试验检测有限公司，福州　350000)

地质雷达在隧道无损检测中的应用

■王雪瑞

(福建省高速公路达通试验检测有限公司，福州350000)

地质雷达作为一种无损检测方法，具有检测范围广、时间快、效率高的特点。本文以福建某高速公路某隧道为例，通过地质雷达检测图像，分析了隧道衬砌在建设过程中的质量病害情况，为今后类似隧道衬砌检测提供参考。

隧道衬砌地质雷达无损检测

1　引言

随着高速公路、铁路的快速建设，新建隧道的规模及数量越来越大。在隧道施工过程中，由于泵压，混凝土流动性及施工技术等原因，衬砌结构难免存在一定缺陷。衬砌作为隧道结构的主要受力部位，在修建完成后必须经过检测，确保隧道施工质量及运营安全。

当前的二衬检测方法包括专家目测、取芯等方法，专家目测方法受主观影响较大，钻孔取芯结果准确，但对隧道结构破坏较大，且范围较小，若对隧道衬砌大范围探测，隧道结构损坏严重，检测成本较大。地质雷达检测作为一种新的检测方法，不会对隧道结构造成损坏，检测范围广，检测时间快，优点十分突出。

2　地质雷达检测原理

探地雷达作为工程物探检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。探地雷达由一体化主机、天线单元及配套软件等几部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，发射天线向被测介质发射高频率宽频短脉冲电磁波，当其遇到不均匀体（界面）时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到识别目标物体的目的（见图1）。

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与反射波的时间差ΔT，即可据下式算出异常的埋藏深度H：

H=V·ΔT/2

式中，H即为目标层厚度；

V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：

式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为 3× 108m/s；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示［3］：

式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。

3　现场实测数据分析

3.1工程概况

福建某隧道位于低山丘陵区，植被茂密，地势较缓，自然坡率在15～30°之间，山体起伏较大，相对高差在100～150m之间，多北西向、北东向沟谷，山脊线也多呈北西向、北东向沿伸，山体完整性较差。樟溪岭隧道覆盖层主要为残坡积的含角质粉质粘土和含粘性土碎石，覆盖层厚度不均，0.5～19.1m不等，一般在沟谷冲刷处覆盖层薄，局部可见强—中风化基岩出露。下伏基岩主要为元古代的片麻岩，岩质硬，片麻理发育，岩石风化较为强烈，具差异风化的特点，全—强风化厚度较大。

隧道埋深较大，没有发育构造的段落隧道围岩一般为Ⅲ级围岩，隧道进出洞口段均为Ⅴ级围岩进出洞，在构造带附近，受构造影响，隧道围岩一般属于Ⅴ级，在隧道埋深较小，地面有沟谷发育，岩性接触带、构造影响带附近隧道围岩岩体完整性较差，多为Ⅳ级围岩。地下水主要为基岩裂隙水，水质较好，水量较缺乏，水文地质条件较简单，隧道开挖后局部会出现滴水或渗水现象。

隧道衬砌施工完成后，为检验隧道施工质量，受业主委托，对该隧道喷射混凝土厚度、二衬厚度及衬砌脱空进行检测。本次检测采用美国GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地质雷达系统（简称SIR-3000），采用900MHz屏蔽天线，该天线可以与主机单元组成控制系统，介电常数为5时探测深度约1m。

整个系统主要由主机、天线（发射天线和接收天线一体）、电缆三部分组成，发射与接收信号均由通讯电缆传输给雷达主机，主机外部主要组件有键盘、彩色SVGA显示屏、连接面板、电池插槽、指示灯，可以在屏幕上实时地观测探测资料或者回放显示资料。

根据测试要求，隧道的拱顶、左右拱腰、左右边墙和左右仰拱均进行的是全断面检测，具体测线位置见图2示意图。

3.2数据处理及结果解释

探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探地雷达垂直剖面图。探地雷达探测资料的解释包括两部分内容：一为数据处理，二为图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像，识别现场探测中遇到的有限目标体引起的异常现象，对各类图像进行解释提供依据。

图像处理包括消除随机噪声、压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。

图像解释和识别异常是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果。

识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。

3.3检测结果分析

主要判定特征：

（1）密实：界面反射信号幅值较弱，波形均匀，甚至没有界面反射信号；

（2）回填不密实：界面反射信号为强反射，同相轴不连续，错断，杂乱，一般区域化分布；

（3）空洞：界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大；

（4）脱空：界面反射信号强，呈带状长条形或三角形分布，三振相明显，通常有多次反射信号；

（5）钢筋网：有规律的连续的小月牙形强反射信号，月牙波幅较窄；

（6）钢拱架：单个的月牙形强反射信号，月牙波幅较宽；

（7）钢格栅：连续的两个双曲线强反射信号。

根据以上判定特征，D14及D15区域界面界面反射信号强，呈带状长条形分布，三振相明显，有多次反射信号，为脱空区域；D16区域界面反射信号为强反射，同相轴不连续，错断，杂乱，区域化分布，为回填不密实区域；D17区域界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为双曲线波形特征，在其下部仍有强反射界面信号，为空洞区域；

4　结论

本文通过现场数据，分析了地质雷达在隧道无损检测中的波形特征，得出如下结论：

（1）地质雷达作为隧道检测的手段，具有方便、快捷、无损的特点。

（2）利用地质雷达进行隧道无损检测时，当需要检测范围在1m深度内，选用900MHz天线可以较为准确检测衬砌回填不密实、脱空、空洞等质量病害。

［1］邹正明，王晓彤，颜炳杰，等.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用［J］.西部探矿工程，2008，4：147-149.

［2］王晓振，吴顺川.地质雷达在东山隧道二衬检测中的应用［J］.路基工程，2010，5：167-169.

［3］吴俊，毛海和，应松.地质雷达在公路隧道中短期地质超前预报中的应用［J］.岩土力学，2003，24（增刊）：154-157.