探讨隧道检测中的地质雷达应用

宋存军（中铁十一局集团有限公司勘察设计院，湖北武汉430074）

探讨隧道检测中的地质雷达应用

宋存军（中铁十一局集团有限公司勘察设计院，湖北武汉430074）

利用地质雷达进行无损检测是地球物理探测技术中的一种方法，并在隧道质量的检测中受到广泛重视。本文通过对地质雷达的工作原理进行介绍，并对地质雷达的测试方法进行了研究，结合实例工程实例讲述了地质雷达利用高频电磁脉冲波探测目标介质的介电常数，可以快速准确地掌握衬砌结构的厚度，衬砌结构背后空洞、钢拱架间距等情况。

地质雷达；铁路隧道；衬砌质量；图像解译

引言

地质雷达法已成为工程质量检测的主要手段，主要检测混凝土结构、围岩体内部的缺陷等。隧道做为高铁工程重要的构成部件，其在施工过程中由于地质条件复杂等因素，常常存在混凝土衬砌厚度不合格、内部布筋不规范、背后脱空、不密实等缺陷。

1 地质雷达工作原理

1.1 理论基础

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，由一体化主机、天线及配套软件等部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波 （几MHz～几GHz），当其遇到不均匀体（界面）时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的（见图1）。

图1 探地雷达工作原理示意图

（1）雷达可测量信号到达目标的传输时间，利用传播速率计算出目标的距离；

（2）当满足下面条件时，隐蔽物可由雷达探出：在天线信号范围之内；信噪比适当。

1.2 电磁波在介质中的反射特性

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可表示为：

式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

由上式可知，相邻介质的介电常数差异越大，则反射信号超强烈。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。雷达信号在不同介电常数介质发生反射的波形如图2。

图2 信号在不同介质层面的波形图

式中，ω为电磁波的角频率；σ为金属的电导率。从上式可以看出，由于金属的电导率σ趋于无穷大，即当电磁波传播至钢筋、钢架时，电磁波将发生全反射。

1.3 雷达采样定理

（1）采样准则：电磁场作为一个随空间和时间变化的函数，需要经过采样和记录才能为后续处理所用。GPR的测量扫描则必须遵守基本的采样准则。对于频率为f的简谐波进行时间和空间采样，时间采样Δt和空间采样Δx需要满足奈奎斯特采样准则：

（2）对于相对带宽为1[带宽=中频频率]的GPR冲击脉冲信号，理想情况下以上准则转换为：

为扩展其使用性一般取理想值的一般，如下：

2 地质雷达探测技术要点

地质雷达是从地面向地下发射高频电磁脉冲波探测目的体及地质现象的，由于地下介质比空气具有强得多的电磁波衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在土中的传播特性比在空气中要复杂得多，地质雷达所接收到的信号十分复杂，脉冲在通过地下介质的过程中，波形和波幅将发生较大的变化，而脉冲余振、系统内部干扰、地表不光滑或地下介质不均匀等引起的散射及剖面旁侧的绕射等干扰，均使得实时记录图像多变和不易分辨。需要通过压制噪声、增益补偿、带通滤波等数据处理措施突出目标体对电磁波的空间响应，达到图像识别的目的。

目前国内所有的地质雷达多数为接触耦合型振子天线，发射天线与接收天线之间的距离很小，甚至合二为一，因二衬表面及底面基本平行，反射波的全部路径几乎是垂直于二衬表面的，所以脉冲波行程需时可简化为t=2h/v，h为二衬表面至底面的距离，而波速v=c/，其中c为光速（c=0.3m/ns），ε为地下介质的相对介电常数值。在隧道现场检测的过程中，影响地下探测目标纵向定位精度的因素主要有两个：电磁波传播速度和双程走时，其他次要的因素还有仪器的选用、参数的设置及现场操作的经验等。

介电常数是表征材料极化并储存电荷能力的物理量，一般情况下，人们总结了各种类型介质介电常数的经验值，用于查找对应于检测目标体介质的介电常数值，如混凝土的介电常数值，干混凝土通常认为处于4～40之间，湿混凝土处于10～20之间，而常见的二衬混凝土多数经验认为处于4～9之间，但实际上，这个区间范围很大，且介质中水分和气候的变化，会导致介电常数值发生变化。假设二衬检测某单道脉冲在二衬厚度范围内双程走时为10ns，介电常数使用6和7求得的厚度值分别是61cm和57cm，两者相差达4cm，相对偏差达6.8%，数据可信度不高。

精确确定介质介电常数的方法很多，比较利于现场操作和较为常用的为用已经厚度的同配合比、同现场混凝土实体反求波速后，再通过公式计算得到介电常数。

二衬与防水板接触界面的特征识别也是影响数据精度的重要因素，要进行目标界面特征的识别，首先应了解雷达波的组成。雷达工作时仪器的控制部分输出触发波形，触发波形是具备一定宽度的矩形脉冲，但接收到触发脉冲后天线实际发射的是一个子波，也可成为一个小波，其波形类似于Ricker小波，其公式为：

使用该公式形成的函数图像如图3，从图中可以看出Ricker小波是一个具有一定脉冲宽度的小波，在现场条件下雷达进行测试，其反射的波形理想状况下也是幅值有所衰减的Ricker小波形状。

在雷达天线中心频率选择方面，由于具有电磁波衰减特性，一方面在实际操作中为了探测更深缺陷，就必须使用低频率天线。而另一方面，雷达波分辨率最小间隔：1/4波长，在检测中为了获取较高垂直分辨率和水平分辨率，就得使天线拥有高频率。但是频率越高，脉冲时间越短，分辨率越高，探测深度越浅。波长可以利用天线的中心频率f、电磁波在介质中的传播速度Vm计算出来，垂直分辨率：

图3 Ricker小波形象示意图

而水平分辨率：

Fs=2[（Z+λ/4）2-Z2]1/2=2（λ2/2+λ2/16）1/2≈（2λZ）1/2≈V（tΔt）1/2

图4 水平分辨率形象示意图

为了解决获取清晰的雷达图像和探测深度之间的矛盾关系，根据隧道围岩特点和需要检测的深度，选择合适中心频率的天线进行检测。

3 工程实例

3.1 工程地质情况

沪昆高速铁路由沪杭客运专线、杭长客运专线以及长昆客运专线组成，途经上海、杭州、南昌、长沙、贵阳、昆明6座省会城市及直辖市，线路全长2264km，设计时速350km/h。我单位在2012～2013年期间，检测了十多座隧道，收集大量原始数据，这里以其中某一座隧道数据进行说明。

3.2 检测仪器、方法及工序流程

使用美国地球物理勘探公司的SIR-3000型探地雷达进行检测，天线中心频率为400MHz，滤波参数为高通300MHz、低通800MHz。检测基本参数为：采样点数512，样点数位为16bit，单位扫描数为142～188scan/unit，扫描速度为40scan/ second，增益gain为5点手动增益，扫描方式为连续扫描。工序流程通常为：施工准备；测线布设；波速测试；数据采集；资料收集；数据处理与分析；数据解释；成果报告书。

现场检测中布置5条测线，分别位于拱顶和左、右拱腰和左、右拱脚。现场数据采集按以下步骤进行：天线紧贴于隧道衬砌层表面，并沿测线连续滑动。空间采样率根据系统配置和天线滑行速度设定，天线滑行速度应小于3km/h。

3.3 衬砌质量缺陷

隧道衬砌常出现的质量缺陷为：衬砌厚度不足、混凝土振捣不密实、衬砌背后存在空洞、衬砌中钢筋间距偏大、衬砌中拱架间距偏大。

3.4 雷达信号处理

衬砌中雷达波的传播路径是非常复杂的，不同的介质和杂波干扰很强，正确的识别信号，提取有用的信息是雷达勘探资料分析的重要组成部分，关键是要记录各种雷达数据然后处理。传统的雷达信号处理方法是：多重叠加去除噪声，单通道测量记录的平均值消除相干噪声；时变增益由低频率修正引起的波前扩展和吸收信号损失；借助高通、带通和频域滤波来消除不重要的干扰频率。利用小波变换的调焦功能和频域-时域双重局部性来压制噪声：根据当地的雷达信号和二维频率波数域滤波实现噪声干扰信号明显的速度差异；偏移是将各雷达记录的反射点移动到它原来的位置，以获得地下介质真实的影像。

3.5 典型数据处理及图像

用波形识别的方法对雷达数据进行分析后得出如下检测结果。对该隧道二衬整体厚度、钢筋网片铺设、钢拱架间距进行分析，结果基本满足设计要求。

（1）隧道衬砌厚度

对现场检测数据进行高低通滤波、叠加、反褶积处理，得到处理数据。图5中图像显示该处存在双层钢筋网，红色线条处是初支与二衬的分界面，从中可以看出二衬厚度比较均匀。

图5 二衬厚度图

（2）数据经过滤波、叠加等操作步骤，可以看出清晰的钢筋网片，在钢筋网片底下有较大半圆弧为工字钢雷达图像。

图6 钢筋网片图

（3）为了更清晰的显示图6衬厚度及其后的钢拱架数量及间距，将天线行走方向与钢筋方向平行，即可弱化钢筋网片反射信号，同时，在数据分析过程使用高低通处理、偏移和反褶积处理，即可形成图7。

图7 钢拱架位置图

（4）该隧道在部分拱顶，存在浅部不密实现象（图8）。

（5）为更好的评估隧道二衬厚度和初支位置，对部分里程地层拾取，提取出EXCEL表格，可以直观的显示实际厚度（图9）。

图8 浅部缺陷图

图9 行扫描图像与EXCEL表格数据

4 结束语

雷达探测技术作为一种手段在隧道衬砌质量检测中是可行的，在数据处理方面应合理选择参数，尤其是介电常数的选择直接影响衬砌厚度的判断；由于衬砌作为一种复杂介质，存在不均匀性，因此检测结果也存在一定的误差；雷达波频率的选择应根据天线的中心频率选择，低频不小于1/2，髙频不大于2.5倍；检测条件须满足：检测体与周边的环境介质存在一定的介电常数差异；衬砌质量的优劣，应通过雷达检测结果及结合地质、勘测资料、现场施工记录来综合判断。

[1]杨 峰，彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社，2010.

[2]郭小凤，曾光宇，周 巍.地质雷达在隧道衬砌厚度检测中的应用[J].核电子学与探测技术，2011，31（10）.

[3]涂文戈，邹银生，陈理庆.雷达波在混凝土无损检测中的应用[J].建筑科学与工程学报，2007，24（3）：82～86.

U452.11

A

2095-2066（2016）34-0193-03

2016-11-12

宋存军（1981-），男，本科，主要从事工程检测方面工作。