地质雷达无损探测技术在隧道检测中的应用研究

地质雷达无损探测技术在隧道检测中的应用研究

发表时间：2018-06-04T11:18:31.263Z 来源：《基层建设》2018年第9期作者：李乐乐1，2 韩劲龙1，2 陈永祥1 周国辉1

[导读] 摘要：随着我国交通事业的快速发展，各类隧道工程的建设也越来越多，其中的质量检测是隧道工程建设中非常关键问题，地质雷达检测技术被广泛应用于工隧道工程检测中。

武汉港湾工程质量检测有限公司湖北武汉 430040;2、海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室湖北武汉 430040 摘要：随着我国交通事业的快速发展，各类隧道工程的建设也越来越多，其中的质量检测是隧道工程建设中非常关键问题，地质雷达检测技术被广泛应用于工隧道工程检测中。因此，本文对质雷达无损探测技术在隧道检测中的应用进行来了研究。

关键词：地质雷达；无损探测；隧道检测

地质雷达是一种快速无损的地球物理探测技术。在1910年，德国科学家首先提出了利用电磁波探测地下目标体分布特征的理论。自从1970年美国地球物理探测仪器公司生产出第一台商业性质的地质雷达后，岩土工程地质勘察的某些领域才逐步开始实现真正的无损、快速地质雷达探测。上世纪八十年代中后期，世界上掀起了研制地质雷达的高潮，如德国、英国、瑞典、意大利、日本、俄罗斯、挪威和加拿大等国纷纷开始研制地质雷达。随后十几年间，地质雷达不断得到发展和完善，并以其高分辨率，无损性，高效率，设备轻便，操作简

单，从数据采集到图像处理实现一体化，可实时输出现场剖面记录图，以及抗干扰能力强，可在各种噪声环境下工作等优势，在各种地球物理方法中脱颖而出，很快成为岩土工程勘探和监测的主要手段，并广泛地应用于公路、铁路质量检测，城市基础设施探测，隧道检测，堤坝、库岸等水利水电工程探测，考古探测，环境检测等领域。

1地质雷达无损探测技术的概述

地质雷达无损探测方法利用雷达波通过结构、构造物反射回来的波形差异进行分析处理检测对象。一般运用于检测区域较大、检测对象复杂，要求检测精度适中，且检测速度较快的情况。

地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布。地质雷达的发射天线向隧道初期支护喷混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波，电磁波遇到具有不同介电特性的喷混凝土与围岩界面时有部分返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质的剖面图像。根据接收到波的旅行时间（双程走时）、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数（图1）。

脉冲波走时按式（1）进行计算：

公式（1）

式中：ｘ值在剖面探测中是固定的；ｖ值（m•ns-1）可以利用现成数据或测定获得，由上式可得目标体的深度值（ｍ）。

图1 反射探测原理图图2 检测结果与实际结构的对照图

隧道衬砌与围岩的相对介电常数的对比决定分层是否“可见”。当存在缺陷时，由于缺陷与良好衬砌或围岩间的介电常数的对比差异，也使得缺陷“可见”，详见图2所示。

2 检测方法

1）天线选择

频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高，精度较高，能量衰减较快，探测深度较浅；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低，精度相对较低，能量衰减较慢，探测的深度较深。因此，选用天线时，根据隧道初期支护喷混凝土设计的厚度及检测要求来确定天线的频率，本次检测的天线频率为1000MHz。

2）检测

根据要求按图3设置五条测线，为了保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应，在隧道边墙上用红油漆每5m作一个标记，标注里程以供核对，由于雷达天线沿隧道纵向进行检测时，其测线不是真正意义上的直线，而是蛇形前进的，所以，即使是采用里程轮，也应对记录的里程与实际里程进行核对。

将天线连接好后，使天线在相应测线位置紧贴隧道壁面，一切准备就绪后，操作仪器，沿测线方向作连续剖面测量，当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号，在雷达记录中每5ｍ作一个标记，同时，应尽量使天线匀速移动。整理资料时，根据标记和记录的首末标及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程，以保证点位的准确。

图3 测线布置示意图

3）速度标定

雷达波速是计算衬砌厚度的最重要参数。因隧道衬砌的施工及用料情况不同，混凝土衬砌和喷射混凝土中雷达的传播波速有一定的变化范围，因此，现场实测雷达波速在衬砌中的走行速度是重要的数据参数。速度标定常用的2种方法是：已知厚度反求速度法和雷达宽角速

度测量法。

本次检测采用的是第一种方法，但对喷混凝土厚度的求得不是常规采用的钻芯等方法，而是借助激光断面仪检测开挖断面及初期支护后净空断面来实现的。即：在隧道开挖后，用激光断面仪对开挖断面进行测量，待初期支护喷混凝土完成后在相同断面作初支后净空断面测量，利用两次测量结果的差值，可得出该断面初期支护喷混凝土厚度的准确值，结合地质雷达图像分析得出的脉冲波走时，再根据式（2）对喷混凝土内的雷达波速进行标定。

式（2）

3地质雷达在隧道无损检测之中的具体应用

3.1数据进行分析及处理

在地质雷达来对隧道结构进行检测，主要是通过高频率的电磁技术来实现物理探测方法，在进行数据采集的过程中，为了更有效保证更多反射波的特点，在频带的记录都是比较宽的，而隧道中得到的雷达数据多少都会受到一些不良因素的干扰，比如说地理环境，雷达自身等。因此，为了有效的规避这些干扰，就需要有效的对探测结果做出准确性的提高，对原始收集和采集到的数据做出有效处理，尽量降低信号的干扰。在对数据进行处理及分析过程中，主要是对预处理以及随后的处理分析。预处理重点囊括文件参数的标记以及桩号的校正，剖面翻转等等相应数据参数的处理。

3.2地质雷达检测数据的处理与资料解释

数据接收完毕后需要有专业的人员来对检测到的数据进行系统的分析，数据与资料的处理可以分为两个环节，首先需要将收集到的隧道信息数据在计算机上进行回放显示，通过系统的分析解读出数据中所含有的信息，判断标志层与异常，然后要考虑地下不同电性界面对数据的干扰，通过雷达透视扫描观察其电磁波的强弱变化，依据图像中的不同频率等特征，判断隧道内壁是否存在安全隐患。其次，是使用雷达专用软件对收集到的数据进行正式的处理。探地雷达接收的反射波是不一样的，这些反射波是从不同电性界面收集到的。电性界面中包括两种界面类型，一种是地质层界面，另一种是有限目的体的界面。探地雷达通过对地下电性界面的透视扫描能提供一个二维的彩色扫描图像，这个扫描图像中的颜色是有变化的，代表着不同强度的反射波，进而能反映出不同介质的电性差异。对探地雷达扫描图像进行解释是有一定的前提条件的，即需要保证参数的合理性和数据处理方法的适当性。在进行数据处理的过程中，可以根据图像中相位、频率等特征的不同对雷达图像进行判别。此外，还需要通过与已知资料的比对，找出不同界面和地质条件的反射波特征，进而对隧道混凝土厚度、基岩裂缝带等信息进行判断。

3.3脱空区检测

由于空气与混凝土的物性差异较大，从而导致了两者之间的介电常数存在很大的差别。在隧道工程施工时，若是衬砌混凝土的背后回填密实度未达到设计要求，便会使混凝土与围岩之间形成缝隙，此时电磁波在经过空气与混凝土界面时，就会出现较强的反射信号。相关研究结果表明，脱空区的区域越大，在雷达图像当中的围岩界面就越清晰通过观察可以发现，在雷达图像中的反射波呈弧形，并且多次出现，同时反射波具有同相轴的特点，它出现的位置一般都在混凝土层下方，随着时间的变化反射波的能力会随之增强为此，可按照雷达波在隧道洞内的传播速度和介电常数对脱空区的大小进行计算，同时按照水平距离还可求出脱空区的具体范围

3.4钢拱检测

雷达设备发射的电磁波在传播过程中存在能量传递由于传播导体的电磁性差异较大，所以使得电磁波在传播过程中一旦遇到金属材料等良性导体，就会产生强烈的反射现象。在隧道工程施工中，经常会使用到钢支撑和钢筋网，这两种金属材料结构均属于良性导体。在运用雷达无损探测技术进行隧道检测时，如果混凝土中存在钢拱，那么就会在雷达图像上显不明显的、呈月牙形的反射信号，且每一个钢拱均会有一个对应的反射信号；如果混凝土中存在钢筋，那么就会在雷达图像上显不出强烈的、呈连续点状的反射信号根据雷达无损探测获取的信号形状及雷达图，可得知钢筋、钢拱数量及其分布情况等信息，用以判断钢拱和钢筋用量是否满足工程设计要求。

4、总结：

1、初期支护和二次衬砌是隧道的主要受力结构，对其质量进行检测是十分重要的，利用地质雷达进行厚度无损检测是能够实现的。

2、利用地质雷达技术检测缺陷时，根据混凝土厚度选用恰当频率天线，既能检测喷混凝土的厚度，还可以探测到喷混凝土内的钢拱架和格栅钢架情况，同时对混凝土背后存在的空洞、不密实等缺陷做出准确的判断。

3、地质雷达进行无损技术检测，具有速度快、效率高，适合于现场的大面积快速检测，对隧道后期处理有积极意义。

参考文献：

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[2]高翔.探讨地质雷达无损探测技术在隧道检测中的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2015（3）.

[3]李大心．探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994．

[4]魏超.肖国强.王法刚.地质雷达在混凝土质量检测中的应用研究.工程地球物理学报.第1卷第5期2004年10月