地质雷达法探测缺陷
地质雷达检测原理及应用
1.5 地质雷达探测系统的组成
从左到右从上到下依次为： SIR-20主机、电缆、400M 天线、电池和充电器、打标 器、测距轮
1.6 地质雷达天线分类
空气耦合天线：主要用于道 路路面检测（具有快速便捷 的特点，但受到的干扰较 大）；
地面耦合天线：主要用于地 质构造检测，检测深度较深 （地面耦合天线能够减少天 线与地面间其他因素的干扰， 检测效果较为准确）
2.2 现场检测工作 2.2.1 仪器设备启动与参数设置 ① 连接主机与电源和天线 ② 打开主机电脑，进入采集软件 ③ 采集方式：时间模式time（也称为连续测量、自由测量）、距离模式
distance（也称为测距轮控制测量、距离测量）、点测模式point ④ 采集关键参数 （1）频率：发射天线的中心频率越高，则分辨率越高，
与探空雷达一样，探地雷达利用超高频电磁波的反射来探测目标体，根 据接收到的反射波的旅行时间、幅度与波形资料，推断地下介质的结构与分 布。
1.2 地质雷达的工作频段
1~100MHz, 低频，地质探测1-30米 100~1000MHz，中频，构造结构探测，2米 1000~5000MHz，高频, 浅表结构体探测， 50厘米
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射 信号越强
（7世界中粒子呈无序排列的 状态，当外界电磁波穿透该 物质时，微观世界中的粒子 就会成定向排列状态，此时 会形成一个电容板，对外界 穿过的电磁波形成一定的阻 碍作用，而每种物质粒子的 排列规律不同，形成电容板 时阻碍外界电磁波穿过的能 力不同，因此各种物质的介 电常数也不同
（9）在“表格”窗口中点“剖面”选项，设置起始里程，如果里程向右减小，选中 “区域减量”。
三、地质雷达典型缺陷图形判定
隧道质量无损检测的地质雷达技术-new1
隧道质量无损检测的地质雷达技术王正成1，2，吴晔1（1、北京铁城建设监理有限责任公司2、北京铁城信诺工程检测有限公司）摘要：地质雷达基于电磁波的反射原理，能够快速准确的定位隧道衬砌混凝土的质量缺陷。
结合隧道工程质量检测中的实际经验，从数据采集、处理和分析三方面入手，对提高数据采集质量，处理效果和缺陷的波形特征进行归纳与总结。
关键词：地质雷达隧道脱空钢架厚度1工作原理地质雷达是利用超高频窄脉冲（106－109Hz）电磁波在介质中传播规律的一种无损检测设备，它能够快速获得相关探测区域的详细信息。
地质雷达主要由主机、天线和界面单元组成，其中天线又包括发射端和接收端两部分。
地质雷达系统采集数据时，天线的发射端向测量表面以下发送以球面波形式传播的电磁波，同时，天线的接收端接收由不同电介质特性的层面反射的回波，经电缆或光纤传输到终端连接的计算机上，实时显示雷达图像。
电磁波在介质中传播时，其路径、波形将随所通过介质的电性质和几何形态的不同而变化。
当目标体为面反射体时，雷达图像上显示的是与反射界面相一致的一条曲线，当目标体为点反射体时，其雷达图像上显示的是一个抛物线，或称之为双曲线的一支。
地质雷达天线的发射端与接收端之间的距离很小，甚至合二为一，当地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的，因此，可以认为在测线不同位置上法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。
地质雷达工作频率高，在介质中以位移电流为主，因此，电磁波传播过程中很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。
电磁波传播理论和弹性波的传播理论有很多类似的地方，两者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。
2数据采集2.1 测线布置地质雷达测线通常按拱顶、左右拱腰和左右边墙各一条，共5条测线布置，测线走向为隧道的径向方向。
拱顶和拱腰部位的测线可以使用机械设备抬升，人工托举雷达天线的方法进行检测，抬升设备可现场搭建或借用已有设备（见图1和图2），如果使用路灯维修车进行高空部位数据采集时，因为要沿隧道纵向行进，其支撑部位不能落地，所以要特别注意安全。
地质雷达技术在公路路基无损检测中的应用
地质雷达技术在公路路基无损检测中的应用作者：王勇翟法智张皓夏蓓来源：《城市建设理论研究》2013年第16期摘要：为预防公路路基塌陷等事故的发生, 需要对公路路基质量进行无损检测。
简要介绍了使用地质雷达在公路路基缺陷检测中的应用, 数据采集过程中的参数设置, 室内数据处理的一般流程, 以及实际应用效果, 得到了正常剖面、空洞、不密实、沉陷、脱空或扰动的典型雷达图像，并对存在的问题进行了总结。
关键字：地质雷达公路路基病害无损检测中图分类号：U213.1 文献标识码：A 文章编号：1概况近年来, 我国城市公路（道路）建设突飞猛进, 由于公路建设的施工质量参差不齐、目前施工工艺限制、车辆超载超重、地下水（或管道渗漏）冲刷等多种原因, 开始出现各种各样的病害, 如空洞、不密实、沉陷等，公路路基大面积塌陷事故屡见不鲜。
居安思危，为预防事故的发生, 需要对公路路基质量进行公路病害无损检测。
传统的钻芯取样、开挖取样检测手段最大的优点是直观,但是效率低, 代表性差, 成本高, 而且具有破坏性。
而瑞雷面波法和高密度电阻率法虽然是无损检测、可靠性高，但是效率低，且成本较高。
地质雷达又称探地雷达(Ground PenetratingRadar,简称GPR) , 近年来其应用范围越来越广, 技术越来越成熟。
地质雷达在路基检测中具有高效、无损、简便、经济的特点, 且有很高的分辨率, 检测质量可靠。
2地质雷达技术的工作原理地质雷达技术是一种对地下的或物体内不可见的部分进行定位的电磁技术。
工作原理为:利用超高频( 106～109 Hz)电磁波以宽频带脉冲形式,通过发射天线定向送入地下或工程实体内, 经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面, 由接收天线接收。
高频电磁波在介质中传播时, 其路径电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。
电磁波在有耗介质中传播时, 遇到地下介质不均匀、介电常数有差异时便会发生反射, 其发射系数由介电常数决定。
地质雷达在钢筋混凝土缺陷检测中的应用
２．１ 天 线 频 率 及 测 试 参 数 的 选 取 雷达 天 线 的 选 取 应 根 据 混 凝 土 缺 陷 的 类 型，结
收 稿 日 期 ：２０１６０５２１ 改 回 日 期 ：２０１６０８２４ 第 一 作 者 ： 杨 威 （１９８４－ ），男 ，工 程 师 ，主 要 从 事 水 电 物 探 方 面 的 工 作 ，Ｅｍａｉｌ：７０５８１７５１１＠ｑｑ．ｃｏｍ。
关 键 词 ： 地 质 雷 达 ；测 试 方 法 技 术 ；钢 筋 混 凝 土 缺 陷 ；工 程 实 例 中 图 分 类 号 ：Ｐ６３１．３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 犇犗犐：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１１７４９．２０１７．０３．０７
０ 引言
１ 方法原理
钢筋混凝土受施工质量或混凝土本身特性的不 良 影 响 ，可 能 存 在 各 种 类 型 的 混 凝 土 缺 陷 ，对 这 些 缺 陷的检测是混凝土工程技术中的一项重要内容。钢 筋混凝土缺陷检测主要分为有损和无损两种检测方 式，传统的钻孔、取 芯 这 类 有 损 检 测 方 法 属 于 抽 检， 既对混凝土结构造 成 破 坏，又 不 能 连 续 的 大 范 围 检 测，效率低，费用高；超 声 波 检 测 作 为 一 种 常 规 的 无 损 检 测 方 法 ，具 有 无 损 和 连 续 检 测 的 优 点 ，但 其 检 测 速 度 慢 ，数 据 处 理 复 杂 ，成 果 不 直 观 ，精 度 相 对 较 差 。 上述传统的检测方法很难对钢筋混凝土缺陷开展高 效 、连 续 、大 范 围 的 无 损 检 测 。 地 质 雷 达 作 为 一 种 先 进 的 无 损 检 测 方 法 ，具 有 精 度 高 、速 度 快 、成 果 直 观 、 可连续大范围扫描 的 优 点，在 各 类 钢 筋 混 凝 土 缺 陷 检测中得到广泛而有效地应用。
超前地质预报（地质雷达法）和半航空物探（半航空瞬变电磁法）在隧道工程施工的运用
超前地质预报（地质雷达法）和半航空物探（半航空瞬变电磁法）在隧道工程施工的运用摘要：复杂的地质条件和地质灾害是隧道施工中的难题，发生地质灾害将造成巨大的生命和财产损失。
因此，可靠地探测地质缺陷特征，如断层、岩溶洞穴和地下水，具有重要的现实意义和理论价值。
本文介绍了超前地质预报（地质雷达法）和半航空物探（半航空瞬变电磁法）在隧道工程施工的运用。
引言在中国，许多大型项目正在进行中水利、水利等建设水电站、铁路、公路、能源储存和运输系统，以及地下矿山。
这些项目为我们提供了一个重要的机会地球工程的进展。
然而，严重的由于环境复杂，也存在挑战地质条件和潜在地质灾害在隧道施工过程中，造成了巨大的生命损失还有财产。
因此，改进地质缺陷的探测能力是非常重要的，例如探测断层、溶洞和地下水涌出。
中国在建隧道具有长度长、体积大的特点覆盖层和复杂的地质条件。
例如，宜昌至万州铁路建在山区，以高风险岩溶程度高的突水危险。
该地区已发现严重的突水危险马鹿青隧道和沿途的野三关隧道宜昌至万州铁路发生严重伤亡事故经济损失。
在水电工程领域，北京锦屏二级水电站副洞四川省有2375米深和17.5公里深长覆盖层使隧道埋在下面极高的地应力。
1.隧道工程施工的探测技术1.现有的探测技术在这下面在这种情况下，隧道的施工可以受到潜在岩爆的影响通过释放地应力，尤其是在不良地质条件，如断层、软弱岩石特征和地下水。
地质灾害防治研究在隧道施工过程中已经成为一个重要的问题中国的问题，包括相关机制治疗技术和探测技术。
地质缺陷特征的探测在危险控制中起着重要作用本文提出。
目前，探测地质灾害的方法危险源可分为两类：地质调查和地球物理勘探。
地质调查包括工程地质分析、先导开挖和岩心钻探，同时地球物理勘探包括地震、电磁和地质雷达方法。
每种方法它有自己的优点和缺点。
2、隧道工程施工探测的难点可靠探测的挑战性问题包括：（1）故障的识别和定位，裂缝、溶洞和地下水体（如地下河）；（2）含水层探测；（3）探测的解释结果在多种解释的背景下物探成果及优化探测方法的选择。
应用地质雷达电磁波反射检测隧道衬砌质量缺陷
５左边墙ＺＤＫ５５２＋４７０ ＺＤＫ５５３＋０００ ５３０
１嚣ＺＤＫ５５３＋０００ ６
ＺＤＫ５５２＋４７。５３０
２４电缆沟盖板以 ２４上１．２ｍ高度
５０隧底中线
测线长度合计３ ２４４延米
现场数据采集采用连续测量方式，测量时由人手 持天线与衬砌表面接触，数据采集的质量与车辆行驶 或人行走时天线与衬砌表面密贴状况有关。天线移动 速度约３ ｋｍ／ｈ，沿测线每５ Ｉｎ间隔设置里程标记，采用
２基本原理
地质雷达检测隧道衬砌质量是利用隧道衬砌与围 岩的电性差异来实现的，介质层间介电常数差异越大，
矩最大。在距离桩顶１／１０Ｌ处剪力最大。 （３）桩土界面分离时，桩顶的挠度比界面粘结时
要大３０％左右，而实际工程中桩土有分离现象，故为 安全考虑，应按实际情况进行计算。因此，可通过试验 研究获取各类土在动荷载下的动力特性，或者通过桩 基模型试验获取土的动力特性，以便为设计时提供 参考。
图４地质富达检测衬砌厚厦解释
（３）衬砌厚度计算
１
实测数据的衬砌厚度计算按式ｄ＝ｉ１×秽×ｔ×
二
１０。９计算，电磁波速的取值采用在已知厚度部位测量
的方法，标定结果按秽＝掣×１０９计算，电磁波速取值
‘
为０．Ｉｌ ｒｎ／ｎｓ。ＲＥＦＬＥＸＷ ３．５．８软件按以下步 骤进行：
（ＤＡｎａｌｙｓｉｓ／ｐｉｃｋ（分析／层位追踪）。 ＠）Ａｎａｌｙｓｉｓ／Ｌａｙｅｒ—Ｓｈｏｗ（分析／分层显示）。 ③Ａｎａｌｙｓｉｓ／Ｌａｙｅｒ—Ｓｈｏｗ／Ｃｒｅａｔｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ（分析／分 层显示／创建速度文件）。 ④Ａｎａｌｙｓｉｓ／Ｌａｙｅｒ．Ｓｈｏｗ／Ｃｒｅａｔｅ（分析／分层显示／ 创建层显示）。 ⑤Ａｎａｌｙｓｉｓ／Ｌａｙｅｒ．Ｓｈｏｗ／Ｃｒｅａｔｅ（分析／分层显示／ 创建层报告）。 （４）检测结果 表２是新大成隧道衬砌质量缺陷检测结果的一 部分。
地质雷达探测异常区域处理方案
地质雷达探测异常区域处理方案地质雷达探测异常区域处理方案一、工程简介本标段为周边小区及商铺密集。
标段工程概况见下表。
地质主要为素填土、粘土、砂层、砾石层、卯石层，粉质粘土、全风化变质砂岩、中风化变质砂岩、微风化变质砂岩，地下水丰富。
二、地质雷达探测1、雷达探测车站周边及隧道线路受影响范围进行了地质雷达探测，通过对地质雷达成果断面图的分析，结合现场实际情况，在地下地层中发现多处异常反射信号，推测存在疑似空洞或土层疏松等地质缺陷。
为进一步核实地层中是否存在空洞及其他地质缺陷，我司根据雷达探测结果对发现的异常反射信号进行现场调查核实，排除非地质缺陷区域、确定地质缺陷区域及除害。
及时对地质缺陷区域进行处理，降低地质灾害发生的机率和危害程度。
2、探测结果通过对地质雷达成果断面图的分析，结合现场实际情况，在地下地层中发现多处异常反射信号，综合已经揭露的地层岩性和地下管线分布特征等情况，推测存在以下地质缺陷。
异常信号里程位置线路开始里程（m）结束里程（m）深度区间（m）异常信号推测结果叠线段24+87424+8800.8m~2土层疏松25+12625+140 1.0m~2疑似空洞或土25+16125+168 1.0m~2疑似空洞或土右线25+20325+2090.8m~2疑似空洞或土左C125+10525+114 3.6m~5疑似空洞或土25+12325+128 1.0m~2土层疏松25+16025+1680.8m~2土层疏松25+19225+196 1.0m~2土层疏松25+24125+245 4.0m~5疑似空洞或土25+27925+285 4.0m~5疑似空洞或土线C225+24025+245 3.5m~4疑似空洞或土C225+28025+284 3.5m~4疑似空洞或土25+13225+135 1.0m~2疑似空洞或土C325+21225+217 1.0m~2土层疏松25+03325+036 1.0m~2土层疏松C425+04525+049 1.0m~2疑似空洞或土25+10425+111 1.0m~2疑似空洞或土25+13825+1440.4m~1疑似空洞或土25+19225+1970.6m~2疑似空洞或土25+23225+238 1.0m~2疑似空洞或土25+23725+242 3.0m~4疑似空洞或土左线C625+31325+3181.0m~2疑似空洞或土异常位置测线起止范围（m ）深度范围（m ）异常信号推断结果18~200.8~2.4疑似空洞41~430.7~2.5疑似空洞B178~810.5~1.0疑似脱空40~450.9~1.4疑似脱空162~166 5.0~7.0软弱土层175~2000.7~1.0疑似脱空217~2220.5~1.5疑似空洞B2240~2670.7~1.2疑似脱空B32~40.6~0.8疑似脱空9~10 3.2~7.0疑似空洞16~200.5~0.9疑似脱空30~350.5~1.3疑似空洞或土12~14 3.0~6.0土层疏松54~570.4~0.7疑似脱空B475~780.7~1.6疑似空洞99~100 1.0~2.0疑似空洞110~1160.7~1.2疑似脱空130~1330.6~1.7疑似空洞B4134~1380.8~1.2疑似脱空130~138 3.0~7.0土层疏松8~150.7~1.6疑似空洞34~380.7~1.6疑似空洞B551~550.9~2.0疑似空洞99~106 2.8~3.2土层疏松138~1480.6~1.7土层疏松严重40~46 1.9~3.5土层疏松严重58~61 2.8~10软弱带B674~810.7~1.2疑似脱空125~128 1.1~1.9疑似空洞13~14 3.0~6.0疑似空洞23~25 1.0~1.9疑似空洞64~70 1.1~2.1土层疏松B786~920.8~1.1疑似脱空103~1100.8~1.8土层疏松严重111~1170.8~1.8土层疏松严重119~1260.6~0.8疑似脱空4.5~6.7 3.1~5.0土层疏松B89.7~11 3.1~5.0土层疏松14.3~16 1.2~2.1疑似空洞根据统计表显示，疑似空洞或土层疏松区域埋深主要在0.5～3米之间，主要分布在南北两侧及区间左线正上方。
RIS地质雷达在桥梁桥面以下缺陷检测中的应用
２ １ 年第７ ００ 期 （ 总第 １２ ４ 期）
中国高新技术企业
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４ 为上下反射系数主要取决于地下介质的介
由上式可知 ， 反射信号的强度主要取决于上 、 下层介质
电性 差越 大 ， 反射 信号 越强 ， 于非 磁性介 质 ， 对 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 的电性差 异 ， 电磁波的反射特性仅与介质的介电常数有关。 城市道路为层 理， 达到探测识 别地下 目 标物的 目的 ， 如图１图２ 、 所示 ： 状结 构 ， 为非 磁性介 质 ， 层介 质的介 电 常数有 明显 的差 均 各
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1、地质雷达法的原理
地质雷达法是一种用于确定地下介质分布的光谱（1MHz～1GHz）电磁技术。
地质雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。
电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。
因此，可根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构。
实测时将雷达的发射和接收天线密贴于喷层表面，雷达波通过天线进入混凝土衬砌中，遇到钢筋、钢拱架、材质有差别的混凝土、混凝土中间的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩石分界面、岩石中的裂面等产生反射，接收天线接收到反射波，测出反射波的入射、反射双向走时，就可计算出反射波走过的路程长度，从而求出天线距反射面的距离D，即有下式：
D=V·Δt/2
式中：D――天线到反射面的距离，km；
Δt――雷达波从发射至接收到反射波的走时，用ns（纳秒，1ns=10-9秒）计；
V――雷达波的行走速度，km/s。
可以用几何光学的概念来看待直线传播
雷达波的透射和反射，即有下式：V=C0/ε1/2
式中：C0――雷达波在空气中的传播速度，30cm/ns；
ε――介电常数，由波所通过的物质决定。
即物体中的雷达波速由其介电常数决定。
如空气的ε=1，水的ε=81，混凝土的ε=4～10。
实际上，雷达波之所以会在物体界面产生反射，是因为界面两侧物质介电常数不同。
雷达探测原理示意图
雷达天线可沿所测测线连续滑动，所测的每个测点的时间曲线可以汇成时间剖面图像。
从一个测点的反射波时间曲线上去判别哪一个波反映什么是困难的，但多个测点资料汇成的时间剖面，各测点接收到的同一反射面的反射波汇面一定图像，就能直观地反映出各种不同的反射面。
例如，一个与测量平面近于平行的反射面，如衬砌的外缘面，在时间剖面上就是与时间0基线近于平行的线；衬砌与岩体交界面的起伏（反映了衬砌厚薄变化）表现为有起伏的图像；钢拱架的反射图像可能是一双曲线，在彩色或黑色灰度的图上也可能呈现一个个圆点；突入衬砌中的小块岩石、衬砌背后的空洞、两层衬砌间的空隙则多呈双曲线图像。
根据这些图像即可辩别不同的物体。
时间剖面图像是探地雷达成果的基本图件，其横座标为测点位置，纵座标为雷达波反射走时，可以用黑白波型图像（波形图变面积黑白显示）、黑白灰度显示、彩色色块显示等形式。
可以用专用分析软件对所测图象进行分析。
2、现场检测程序
1．测线布置
（1）隧道施工过程中质量检测以纵向布线为主，横向布为辅。
纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条；横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距8～12m ；采用点测时每断面不小于6个点。
检测中发现不合格地段应加密测线或测点。
（2）隧道竣工验收时质量检测应纵向布线，必要时可横向布线。
纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰和左右边墙各布1条；横向布线线距8～12m ；采用点测时每断面不少于5个点。
需确定回填空洞规模和范围时，应加密测线或测点。
（3）三车道隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。
（4）测线每5～10m 应有一里程标记。
2．介质参数标定
（1）检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道应不少于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。
当隧道长度大于3km 、衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数。
（2）标定方法：①在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；②在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；③钻孔实测。
（3）求取参数时应具备以下条件：①标定目标体的厚度一般不小于15cm ，且厚度已知；②标定记录中界面反射信号应清晰、准确。
（4）标定结果应按下式计算：
223.0⎪⎭⎫ ⎝⎛=d t r ε
9102⨯=t
d υ 式中：r ε—相对介电常数 ；
υ—电磁波速（m/s ）；
t —双程旅行时间（ns ）；
d —标定目标体厚度或距离（m ）。
3．测量时窗由下式确定：
a d T r
⋅=∆3.02ε
式中：T ∆—时窗长度（ns ）；
a —时窗调整系数，一般取1.5～2.0。
4．扫描样点数由下式确定：
3102-⨯⋅⋅∆⋅=K f T S
式中：S —扫描样点数；
T ∆—时窗长度（ns ）；
f —天线中心频率（MHz ）；
K
—系数，一般取6～10。
5．纵向布线应采用连续测量方式，扫描速度不得小于40道（线）/s ；特殊地段或条件不允许时可采用点测方式，测量点距不利大于20cm 。