地质雷达测量技术

地质雷达测量技术

内容提要：本文在简述地质雷达基本原理的基础上，介绍了地质雷达检测隧道衬砌质量的工作方法，通过理论分析、实际资料计算、实测效果等方面说明采用地质雷达技术检测隧道衬砌质量的必要性和可靠性。

关键词：地质雷达测量技术

1 前言

地质雷达（Geological Radar）又称探地雷达（Ground Penetrating Radar），是一项基于不破坏受检母体而获得各项检测数据的检测方法，在我国已在数百项工程中得到了应用，并取得了显著成效。同时，随着交通、水利、市政建设工程等基础设施的大力发展，以及国家对工程质量的日益重视，工程实施过程中仍急需用物理勘探的手段解决大量的地质难题，因此，地质雷达极其探测技术市场前景十分广阔。

地质雷达作为一项先进技术，具有以下四个显著特点：具有非破坏性；抗电磁干扰能力强；采用便携微机控制，图象直观；工作周期短，快速高效。它不仅用于管线探测，还可用于工程建筑，地质灾害，隧道探测，不同地层划分，材料，公路工程质量的无损检测，考古等等。

2 地质雷达技术原理

地质雷达是运用瞬态电磁波的基本原理，通过宽带时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波，波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，再由计算机将收到的数字信号进行分析计算和成像处理，即可识别不同层面反射体的空间形态和介质特性，并精确标定物体的深度（图1）。

图1 地质雷达检测原理图

3 雷达的使用特性

3.1无损、连续探测，不破坏原有母体，避免了后期修补工作，可节约大量的时间和费用。

3.2 操作简便，使用者经过2－3天培训就能掌握。

探测时，主机显示器实时成像，操作人员可直接从屏幕上判读探测结果，现场打印成图，为及时掌握施工质量提供资料，提高了检测速度和科学水平。并且通过数据分析，还可以了解道路的结构情况，发现道路路基的变化和隐性灾害，使日常管理和维护更加简单。

3.3 测量精度高，测试速度快。在车载工作方式下，测试速度大大提高，当车速达80Km/h时，系统仍能正常工作。

3.4 收、发天线离地面的探测高度可以针对不同的埋地目标进行调整，以达到最佳的探测能力和探测分辨率：同时还可以调节收发天线之间的距离寻找系统工作的最好效果。

3.5 测点密度不受限制，便于点测和普查。

工作方式的灵活使得用户可以连续普查某一段工程的质量,也可随时对异常区域进行重点探测

和分析。

3.6 便于维护与保养。

本系统采用了结构化设计，对于使用不当或其它原因造成的质量问题，简单地更换接插件即可保证雷达的正常工作。

3.7 可扩充配置。

通过选择相应的发射源和收发天线，再配上相应的处理软件，就可以在中、深层探测范围，如地下管线、地基空洞、钢筋分布、堤坝密实程度等方面扩大应用。

4 地质雷达在检测隧道衬砌质量中的应用

新建隧道施工中为确保隧道衬砌质量，采用传统“钻、看”的检测方法显然已不能满足“多断面、全方位”的检测要求，业主和施工单位都在探索采用无损检测技术有效监控和确保隧道衬砌质量的新方法。

隧道衬砌的质量检测包括1)隧道衬砌厚度，2)隧道衬砌背后未回填的空区，3)隧道衬砌的密实程度，4)施工时坍方位置及坍方的处理情况。5)有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置。4.1 工作方法

在检测隧道之前，一般沿隧道拱顶、左拱腰和右拱腰，以及左边墙和右边墙做5条测线。对于特殊的检测位置要特殊布线方能达到检测结果的精度。布线时还要注意周围的详细情况，应该远离地面噪声源，剖面线必须能提供测区内充分的细节，并使工作量最小。

在实际测量时根据所需达到的精度选择天线的频率。频率高的天线发射的雷达波主频高，分辨率高，但穿透距离小；频率低的天线发射的雷达波主频低、分辨率低，但是穿透深度大。若选用450～500MHZ的工作天线，它的波长为20～30CM，检测衬砌厚度有足够的分辨率，并可达到2cm左右的精度，可探测约2.5m深。

雷达检测时，需将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴（见图2、图3），沿测线滑动，由雷达仪主机高速发射雷达脉冲，同时进行快速连续采集。为此，需使用工作台架，便于将天线举起密贴于衬砌。为保持工效，天线沿测线以5km/h左右的速度匀速滑动。为此，在卡车车厢上用钢管搭架并铺木板制成工作平台。雷达每秒发射20－30个脉冲，若检测时天线的行走速度为1m/s(3.6km/h),则每米有测点20～30个；若天线的行走速度为1.5m/s(5.4km/h)，则每米有测点15～22个。都能保证检测的精度。

雷达时间剖面上各测点的位置要和隧道实际里程相联系。为保证点位的准确，在隧道壁上每5m 作一标志，标上里程。当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号（收集数据程序里的标记命令，可自行设置），在雷达记录中每10m作一标记（有必要可每5m作一标记），内业资料整理时，根据标记和记录的首、末标记及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程。

图2隧道拱腰检测图3隧道拱顶检测

4.2 地质雷达的资料处理及探查效果

4.2.1 资料处理和编录整理以及设计资料的汇集

现场采集的数据要经过简单的虑波、去噪、均衡等处理，打印成时间剖面图。时间剖面图是用来作判断和计算的基本图件，需要精心制作。1km的测线，图纸连接起来约有15～20米长，打印这些图纸的时间往往要长于现场采集的时间。

为了使图纸的计算与实际里程相符，必须在图纸上标注里程及5米或10米的间隔标记，并要将一些特殊的情况，如电气化线路隧道中的锚节点位置、隧道中的变截面位置、灯或通风机位置等标于图上。

对隧道衬砌质量作检测和评价，还必须掌握该隧道的设计情况，如围岩分类、设计参数、施工方法和步骤等，特别是长隧道、地质条件复杂、设计参数变化多，有时还由不同单位分段施工，掌握这些资料，对探查资料判断和隧道质量评价很有必要。而熟悉和掌握这些资料和情况又需要检测人员下工夫去研究。

4.2.2 地质雷达探查的典型图像

4.2.2.1衬砌界线

混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩（或其间空区中的空气）有明显的介电常数差，因此在时间剖面图上，衬砌底面和岩石之间有明显的界线。雷达发射的直达波延续4个周期以上，0～12ns左右的目标物的反射波均与它相叠。雷达的直达波呈现几条平直的水平同相轴的图像，而围岩开挖总有