浅谈探地雷达在公路隧道结构施工质量检测中的应用

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摘要：针对公路隧道施工中可能出现的质量问题，利用探地雷达技术进行隧道结构施工质量检测，可以探测衬砌厚度、确定钢筋及格栅钢架的分布位置及数量，并查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域，从而发现隐蔽工程的质量问题。

关键词：探地雷达；隧道结构；无损检测

0引言

探地雷达法以其无损性、高效率、高分辨率等优点，正逐渐成为地下工程调查的一种有力工具，现已广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、无损检测、水文地质调查、生态环境等众多领域。随着交通事业的发展，隧道大量建设，隧道病害也屡见不鲜，应用探地雷达对公路隧道结构进行质量检测，已经普遍展开。

1.特点及工作原理

探地雷达法（Ground Penetrating Radar Method）是利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法；其本质就是利用目标体及周围介质的电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测；其天线屏蔽抗干扰性强，探测范围广，分辨率高，可通过连续透视扫描，现场实时显示二维黑白或彩色图像并进行实时数据处理。

探地雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况（见图1）。

探地雷达天线频率不同，其测深能力也不同，频率越低，探测深度越大，但是分辨率会降低；频率越高，探测深度越浅，分辨率会提高。

2.探地雷达的应用

应用探地雷达进行隧道衬砌检测已有很多研究，检测内容主要包括：隧道衬砌的厚度、隧道衬砌背后回填物的密实状态、隧道衬砌背后与围岩的脱空区域、围岩的状态及其地下水向隧道侵入的通路等。在广东省某高速公路项目中，采用此方法进行了隧道初期支护、二次衬砌混凝土厚度、质量缺陷、钢支撑间距的无损检测。

2.1测线布置及频率

测线布置沿隧道纵向布置3条测线，分别为左边墙、拱顶、右边墙，测线布置示意见图2。

图2 探地雷达测线布置示意图

2.2数据处理

现场采集的探地雷达信号包含很多干扰，有环境的干扰，也有雷达本身的噪声。有用信号被淹没其中很难识别，因而需要采取有效的处理技术，消除干扰突出有用信号。此外，现场采集时天线移动难保正匀速，记录标记也不均匀。对于不同的探测对象，资料处理的技术选择也不完全相同。一般的处理都包含记录标记的归一化、水平与垂直滤波、电磁波速分析等三步。在完成上述处理之后，根据不同的探测对象，选择针对性的处理办法。

2.2.1衬砌界面位置的确定与追踪

隧道工程检测中二衬与初衬、初衬与围岩之间的界面是弱反射面，衬砌质量越好、衬砌与围岩间接触越密实，反射越弱。对这些层面的辨认与追踪是很困难的工作。为便于这些层面的追踪，最好使用能量显示方式，选取合适的模板。估计界面的位置，通过增益调节减小两侧信号的强度，突出界面信号的强度，合理设置色差，达到正确追踪的目的。在层位追踪处理中最重要的是层位识别准确，关键的问题是掌握界面的特征。围岩与衬砌之间界面最明显的特征有两个，第一是波的频谱特征差异大，第二是沿界面有断续的强反射波。衬砌中因介质较均匀，杂乱反射较少，多为低频弱反射波，频谱以低频为主；围岩中岩体结构复杂，杂乱反射很多，多为高频不连续波，频谱以高频为主。衬砌与围岩之间不可避免地会存在一些缝隙，缝隙部位的反射波是很强的，因而界面的反射波会呈现一段强一段弱的特点。类似于串珠状形态。

空洞是探地雷达经常遇到的问题，大到溶洞，小到衬砌中的空区。脱空区与空洞没有本质区别，只是规模小一些，面积可能大一些。空洞的形状各有不同，但电磁波记录中却有共同之处。第一个鲜明的特点是反射波特别强，因为空气与岩土、混凝土介质的介电常数差异明显，反射系数大概在0.4-0.5之间；第二个特点是多次波很发育，电磁波在空洞中多次反射，接受到的反射波持续很长时间；第三个特点是空洞最先到的反射振相与表面反射相反，因为电磁波是从低速介质进入高速介质，而在表面是从高速介质进入低速介质。

空洞与脱空区处理最有效的办法就是采用反差大的能量显示模板，在这个模板下中等的和较弱的反射被忽略，只显示最强的信号。屏幕上大面积平淡背景上只有几处空洞的形态，最易识别。用灰度图和变面积显示图上也可以辨认出空洞，但更需要经验，容易发生错误，位置也不易界定，不如能量显示模板好。

2.2.3钢支撑的处理识别

混凝土结构中的钢支撑是质量检测所关心的问题。检测内容包括钢支撑的密度、位置、与混凝土的密实程度等等。

钢支撑是良导体，对电磁波的反射系数为1，在雷达记录中的表现是一系列的强反射弧，形如半开伞，第一反射振相与表面反射波同向。如果钢支撑与混凝土不密实，反射波中还增加一些多次波成分，多次波持续时间越长，脱空越严重。钢支撑检测资料处理最重要的环节有两步，第一步是进行水平滤波，水平滤波扫描线条数取得要少，10-20条，增强滤波效果。水平滤波除去水平干扰和水平缓变信号，突出弧形反射；第二步是选择能量显示模板，只显示高能量部分，降低中等和弱反射信号的分辨率，突出显示强反射弧。

2.3结果评价

初期支护和二次衬砌检查按照《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）的规定评价。

3 结语

由于高频电磁波在介质中的高衰减性，使得探地雷达的应用受到一定限制。探地雷达的检测效果不仅与雷达本身的技术有关，还与较多影响因素相关，因而在实际工程中很多检测效果并没有达到预期目的。因此，有必要分析影响应用地质雷达技术检测效果的主要因素，解决地质雷达在隧道检测中的有关技术问题，以便进一步提高检测水平，使其广泛应用于工程实际中，为工程建设做出贡献。

参考文献：

[1]JTGF80/1-2004 公路工程质量检验评定标准[S].

[2]沈小俊，王连成，李建军，曾耀.雷达技术在公路工程隧道无损检测中的应用研究[J].公路交通技术.2014（01）.

[3]李勃.地质雷达在工程中的应用[J].西部探矿工程.2013（09）.

作者简介：

刘金杰（1982-），男（汉族），河北新乐人，工程师.