探地雷达技术在公路隧道质量检测中的应用

李沫

（福建省交通建设工程试验检测中心福州 350004）

一．概述

近几年，随着我国国民经济的迅速发展，交通、水利建设突飞猛进，特别是高等级公路，逢山开路，遇水架桥，达到了前所未有的程度，各种公路、铁路以及引水隧道的数量和质量随之迅猛增加提高，开创了历史先河。

在隧道的建设过程中，所面临的质量问题也不容忽视。以前隧道开挖时主要采用直接爆破，常会出现超挖或欠挖情况，这样给混凝土二次衬砌造成较大难度，往往在衬砌层内造成较大过空洞或衬砌层厚度达不到设计要求。随着施工工艺的变化，现在采用光面爆破技术，隧道开挖质量有了很大提高，但由于种种原因，竣工后的隧道仍或多或少存在质量问题。这样就需要一种与传统质检方法完全不同的隧道质量检测手段，高效率、全方位地进行检测，为解决隧道安全隐患及时准确地提供数据资料。

利用探地雷达进行无损检测是新发展的一种高新技术。仪器具有轻便、高效率、高精度、高分辨率、超浅层探测、成果直观等特点,已成功地应用于许多领域,在隧道质量无损检测中，更是不可缺少。

二．检测项目及仪器设备

1．检测项目：

利用探地雷达技术检测公路隧道的项目主要包括：

①隧道衬砌层厚度监控

②衬砌层以内密实性及是否存在危及隧道安全的空洞

③衬砌层内钢格栅、钢筋的分布情况等

2．仪器设备：

目前国内投入野外生产的探地雷达主要有美国的SIR系列、加拿大的EKKO系列以及瑞典的REMAC仪器等；而这些不同型号的雷达，其主要用途的侧重点也有所不同，有的用于煤矿，有的用于钻孔，还有的用于公路厚度检测。

2004年4月份，我们引进了美国GSSI公司生产的SIR-20新型探地雷达用于隧道质量无损检测，该仪器采用先进的控制器及数字处理软件，适用于各种型号

的微机。采集数据在天线端口即被数字化，为真正的数字信号采集系统。配置400MHz 频率的天线，具有较高的分辨率，其探测的深度范围可达2.5米左右，可完全满足隧道质量检测中的需要。

3．工作情况：

仪器引进后，我们先后对漳龙高速公路、京福高速公路（三明、南平和福州段）等各公路中的隧道进行了大量的检测工作，检测隧道73个，隧道长度（双幅）达110多公里，取得了很好的效果。

探地雷达检测隧道二衬厚度与钻孔取芯结果对比表1

注：取芯位置离地面高度约2.4m ，雷达边墙测线位置离地面高度约1.5m 。

三．探地雷达方法原理

探地雷达发射和接收的是高频电磁波，根据电磁波理论，电磁波在介质中的传播特性取决于介质的波阻抗η，而η又主要与介质的相对介电常数ε成比例关系，即εη/1=。当相邻两层介质的ε存在差异时，也就是两介质的波阻抗η有差异时，使入射到两结构层分界面上的电磁波产生反射（图1），形成反射波，被雷达仪器接收到，从而使该结构层分界面被识别出来。这种波阻抗差异可用反射系数R 表示，即

)/()()/()(21211212εεεεηηηη+-≈+-≈R

也可以用功率反射系数P r 表示，即2

R P r =。反射系数直接反映了介质的电性及其差异。由上述表达式可知，在一定深度范围内相邻两介质的相对介电常数ε差异越大，反射波越强，反射界面越容易识别。

图1 探地雷达工作原理图图2 雷达检测隧道工作示意图四．数据采集的方式、主要技术参数

1．数据采集方式：

探地雷达在野外工作时有多种数据采集方式，如自由采集（Free）、连续采集(Continuous)、点采集(Step)等。考虑到隧道质量检测的特殊性，一般常采用点采集的方式，这种方式利用测量轮触发天线控制开关，可自动、均匀、连续地记录数据，数据采集效率高，其点距范围一般为0.01m—9.99m，定位误差为±0.2%左右，定点精度高。

2．工作参数选择：

运用探地雷达检测隧道工程质量时，参数的选择是最关键的环节之一，其主要包括点距、时窗、采样间隔、叠加次数。

①测点点距的选择取决于天线中心频率、介质的介电特性以及所测的目标体大小。一般使用400MHz频率以上的天线，点距取为1cm--20cm，可保证探测的精度要求。

②时窗的选择主要取决于最大探测深度与介质中电磁波速度，在隧道质量检测中，介质主要是混凝土和岩石，若取电磁波的速度为0.1m/ns，要求探测深度在

1.5m以内，时窗可取为35ns（包含采集背景噪音所需的时间）。

③采样间隔的选择直接影响到波形采集的质量（如加拿大的EKKO系列）。对

于规模较小的空洞异常，采样间隔选取太大时，波形将会发生削波现象，甚至严

重畸变；而采样间隔太小，数据采集的效率将会降低，一般情况下，天线频率越高，采样间隔选取越小。在隧道检测中，若使用400MHz 的天线，采样间隔一般选取0.2ns ；使用1200MHz 的天线，采样间隔则选取0.1ns 。

④ 叠加次数也会影响到波形采集的质量和数据采集的效率。在隧道检测中，探地雷达受外界电磁干扰较小，若采用点测的方式，叠加次数常选为4次或8次即可。

3．主要技术参数：

在探地雷达检测技术中，最主要的技术参数是分辨率。分辨率是探地雷达分辨最小异常介质的能力，有垂直分辨率和水平分辨率两种。

垂直分辨率是垂直方向上可以划分的最薄层次，理论上可把雷达天线主频波长的1/8作为垂直分辨率的极限，但由于外界干扰等因素，一般把波长的1/4作为其下限。表2为探地雷达不同天线垂直分辩率的经验值（假设在混凝土中V=0.1m/ns 的情况下）。

不同频率天线的垂直分辩率表2

水平分辨率是雷达天线在地面上拖过，可以分辨的地下最小目标的横向尺寸。这与天线波束的覆盖面积（A ）有关，覆盖面积又跟目标的埋藏深度有关，就象手电筒的光束聚焦范围随远近变化的道理一样。天线波束的覆盖面积可由下式计算：

4++

K D A λ

其中：A 为天线波束覆盖区，λ为雷达天线的中心波长，D 为地表到反射面的深度，K 为反射面以上介质的平均介电常数。

假如目标体在混凝土（K =10）中的埋藏深度为30cm ，用400MHz 的天线波长

λ=25cm ，其天线波束覆盖面积半径：

cm cm cm K D A 151

10254

301

≈++

假设目标占据该光斑1/4左右可分辨，则雷达在混凝土深度为0.3m处的横向分辨率约为3.8cm左右。

此外，探测深度也是探地雷达重要的一个技术参数。在仪器性能和地下介质一定的情况下，探测深度主要取决于工作频率选择及地层的衰减系数。一般天线频率越高，探测深度越浅，分辨率越高；相反，天线频率越低，则探测深度越深，而分辨率降低。故探地雷达在技术上存在探测深度与分辨率的取舍或优选问题。五．对数据采集的要求

在公路隧道检测过程中，当采集的天线、参数选择好后，开始进行数据采集。数据采集需要做到以下几点：

1．天线的中心要与测线的起点重合，测线起点的桩号需要有明显的标记，与实际桩号的误差不应大于测线长度的0.1%。

2．使用测量轮进行计点测量时，一条完整的剖面长度不宜大于1km, 并及时做桩号校正，令其误差不大于0.5%。

3．采集过程中，需要时刻观察所采集的数据，若发现波形失真、零点同相轴错断等异常，要停止工作，查明原因，重新调零、重新采集。

4．在采集过程中，需要雷达天线与隧道衬砌层表面接触，以免人为产生假异常。

5．随时进行外业记录，记明工区、时间、剖面号、测线起点和终点的桩号等。六．数据资料分析

探地雷达检测数据，需要专业人员来进行判读分析，并且需要一定的数据处理经验。下面就一些隧道中检测的实例，说明在隧道检测中常遇到的异常特征以及增强雷达图像数据分析一些特殊处理。

1．隧道检测中常见的雷达异常特征

①隧道空洞模型的异常特征：

为了查明隧道衬砌层空洞异常，我们在一个5×0.5×0.4m大小的混凝土模型上进行了测试，该模型分别做出脱空层、方型空洞和圆形空洞模型，其大小、直径分别为1.02×0.5×0.14m、0.31×0.5×0.17m、ф100。

从所测的波形图中，通过分析它们的反射波形特征，可清楚看出在隧道模型条件下，混凝土衬砌层中空洞在雷达波形上的异常特征（图3）。

图3 隧道空洞模型的异常特征

②公路隧道中风机预埋件异常、预埋管、钢筋(网)、钢拱架等雷达异常特征（图4）：

预埋件异常预埋管异常

a.风机预埋件异常：强烈的多次反射，多为

b. 预埋管异常：窄而长的弧形反射，钢板、钢筋反映，异常图像宽度整齐而固定。多次反射强烈且形状一致。

钢筋(网)异常

钢拱架异常

c.钢筋(网)异常：本为清晰的弧形，受钢筋大小、

d. 钢拱架异常：为清晰的弧形多次反射，测点点距及雷达分辨率的影响，呈现鱼鳞状。与预埋管异常相似，但多次反射少。

图4 公路隧道中常见的雷达异常图像特征

2．增强雷达图像数据分析一些特殊处理

① IIR滤波（Infinite Impulse Response Filters）：消除直达波以及因天线与隧道表面未接触而造成的水平多次波等，使目标异常更加突出(图5)。

IIR水平滤波前雷达图像经过IIR水平滤波处理后雷达图像

图5 探地雷达IIR水平滤波处理

②脉冲反褶积处理：压缩雷达子波（λ）的长度，提高垂向分辨率(图6)。

脉冲反褶积处理前雷达图像经过脉冲反褶积处理后雷达图像

图6 探地雷达脉冲反褶积处理

③偏移处理：消除雷达绕射波及倾斜干扰波，使目标体“回归”到实际位

偏移处理前雷达图像经过偏移处理后雷达图像

图7 探地雷达偏移处理

置（图7）。七．应用实例

1．隧道衬砌层厚度检测

采用探地雷达检测隧道二次衬砌（以下简称“二衬”）层厚度，是隧道检测的一项重要内容。虽然有时由于隧道二衬和初衬（即“初级支护”）的混凝土介质电性差异较小，给二衬和初衬界面的判定带来一定的困难，但我们可根据二衬与初衬、初衬与围岩界面的不平整特征，以及衬砌层中钢筋、钢拱架等波形图像进行判定。

图8为探地雷达检测某一隧道衬砌层厚度的部分剖面图，图中二衬、初衬及围岩的界面较为清晰，其中二衬厚度在35cm--39cm 之间，初衬厚度约为12cm 左右，而在桩号89968处，初衬厚度约为0cm （此处有空洞存在），最后经过钻孔，结果与实际相符。

图8 探地雷达检测隧道衬砌层厚度

2．隧道二砌、初衬与围岩间的连续脱空。

连续脱空常出现在隧道拱顶，一般由于泵送混凝土不足或片石回填不实造成。脱空在纵向延伸较长，长度由几米到十几米不等，而脱洞层厚度较小（纵向长度与其厚度比值大），这种脱空本身对隧道的影响并不大，但常常会存有大量积水，对隧道构成较大的危害。

图9为某隧道拱顶探地雷达检测部分剖面图。从图中可清楚地看出，该部分隧道拱顶衬砌层厚度约为30cm ，在水平桩号4541m--4558m 处雷达波的波幅反向，波的发射强烈，呈现出连续的脱空异常，脱洞层的厚度约20cm 。

二次衬砌初级支护围岩

图9 隧道脱空探地雷达检测剖面图 3.隧道的空洞在探地雷达图像中异常：

隧道衬砌层附近的空洞有各种各样，在二衬、初衬以及围岩中都可能存在，而且其大小、延伸的长度不一，下面就所碰到的几种空洞在探地雷达检测中的图像异常做一介绍：

图10 常见的空洞异常特征

① 图10为常见的脱空异常，这种异常在探地雷达图像上表现为不规则的弧形多次反射（区别于钢管异常），纵向尺寸与空洞厚度比值较小（相对脱空异常）。

② 图11为某一隧道拱顶探地雷达检测图。在该段图像中，可清楚地看出在钢拱架后面存在3处异常，其中在桩号6937m--6939m 和桩号6944m--6946m 处为空洞异常，离隧道表层最浅处埋深约20cm ；在桩号6948m--6951m 处存在脱空异常，埋深约30cm 。

脱

空

层

图11 钢拱架后存在的空洞异常

③二衬内三角形空洞异常。采用模筑泵送混凝土施工二次衬砌，在拱顶施工的接缝处容易形成三角形空洞（图12）。右图为一隧道拱顶雷达检测剖面图，桩号476m处为一隧道台车接缝，在其左侧形成了三角形空洞（桩号472m--476m），该空洞离隧道表层最浅处埋深约20cm。

图12 二衬内三角形空洞异常

4．隧道衬砌层中不密实异常（图13）。因隧道超挖，用片石回填而造成的不密实，常存在于初衬与围岩之间。由于片石间存在空隙，在探地雷达图像上表现出杂乱的强反射。这种不密实，往往伴随着空洞存在（其实空洞就是不密实的一种特殊情况）。

5．检测衬砌层中钢拱架、钢筋（网）分布。隧道衬砌层中钢拱架的宽度一般为10cm左右，采用频率400MHz以上的天线、测点点距取5cm可清楚地反映出来（图4-d、图7）。而对于直径较小的钢筋，若采用频率400MHz的天线检测图像并不清晰（图4-c），选用1200MHz频率天线、测点点距取1cm，衬砌层中钢筋分布

在图像中就会很清楚（图14）。

图13 隧道衬砌层中不密实异常图14 衬砌层中钢筋(网)探地雷达检测剖面图

八．结语

探地雷达作为一种新的高分辨率、高效率无损的高新检测技术，正在工程建设中发挥越来越重要的作用，它具有安全、方便、快捷等特性，有着很大的发展潜力。我们从国外引进雷达以后，在省内先后对数十个公路隧道进行了质量检测，已取得了显著的成果。此外，探地雷达在隧道质量检测中，需要有一定的技术要求，只有掌握了解了这些要求、技能，才能更大地发挥雷达的长处，更好地解决实际问题。

参考文献：

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作者通讯地址：福建省福州市工业路498号邮编：350004

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