【摘 要】在地质构造复杂多变、沟谷切割强烈，地质灾害严重的地区修建高等级公路，由于公路隧道具有环保、耕保、径捷、美观等特点而被公路设计部门所采用，同时，也因其具有施工难度大、安全风险大、投资相对高等因素被列入公路工程的控制性工程之一。本文笔者通过多年实践工作经验得出采用雷达技术检测公路隧道衬砌质量，检测记录图象清晰、直观、信息丰富，结合数据后处理软件、实际的施工工艺和地质情况作综合分析计算，检测结果精度高、质量可靠、工作效率高，检测方法技术完全满足《公路工程质量检验评定标准》的要求。

【关键词】雷达技术；原理；方法；数据处理；案例分析

前言

作为隧道支撑或受力的衬砌，衬砌质量的好坏直接关系到隧道的使用寿命、交通安全和营运效益，乃至社会影响。为此，交通部《公路工程质量检验评定标准》中明确规定了隧道混凝土衬砌和钢支撑支护等多项检验评定的实测项目和允许偏差，采取选择一定频数的断面，采用凿孔检测方法评定衬砌质量，这种检测手段虽然满足了《标准》规定的要求，但是，由于检测方法本身存在一定的破坏性、随机性、偶然性，不能较客观的全面反映隧道衬砌质量（如衬砌的混凝土厚度、钢支撑支护的排列间距、衬砌的密实度、衬砌与围岩的浇结密实情况等），同时尚存在工作效率低下的现象。地质雷达法不仅能够检测衬砌厚度不足和背后空洞等主要质量缺陷，而且还可以检测钢架、钢筋间距过大、数量不足、混凝土内部脱空等质量缺陷，是隧道结构进行无损检测的主要方法。因此，利用地质雷达探测技术检测隧道衬砌质量，获得了越来越广泛的应用。

1 雷达技术的探测原理

雷达技术是一种采用新兴的地下探测与混凝土建筑物无损检测新技术，是目前国内外用于检测混凝土内部缺陷最先进、最便捷的仪器之一。它是利用高频电磁波在地下媒质中的传播和反射特性进行地下目标体或界面的探测和定位分辨。天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和增强信号的功能，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维彩。它以无载波高速脉冲（电磁波）作为探测目标体的信号源，其脉冲参数因目标探测要求而定，用宽带天线将高速脉冲转换成脉冲电磁波进行辐射，一部份经发射天线直接到达接收天线形成直达波，可用作地下目标体深度的参考；一部份向地下媒体传播，当遇到地下目标体或不同媒质界面时产生反射，反射的电磁波经地表到接收天线形成反射波，反射波相对地表反射的直达波出现的时间是电磁波从地表到目标体再从目标体到地表传播的时间。当电磁波在地下传播的速度已知时，即可求出地下目标体或地下界面的深度。并且反射波带有地下目标体或地下媒质的性质信息，通过对记录数据的处理和对反射波曲线进行分析，即可确定地下目标体的性质特征。

地质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扫描图像，其工作原理是：雷达系统利用天线向目标体发射宽频带高频电磁波，当电磁波信号在目标介质内部传播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。雷达探测系统由脉冲发生器、发射天线、采样接收与模数转换部份和主控制器（数据采集和处理）四个部份组成。

2 探测方法

2.1 剖面布设原则

依据公路隧道衬砌的质量要求，结合路基宽度，确定剖面的数量。剖面一般沿隧道走向布设3～5条（见下图），剖面长度与隧道长度一致，便于连续观测。

2.2 探测参数的选择

2.2.1天线中心频率。

（1）按分辨率选择：若要求垂直分辨率为X米时，天线中心频

率 ，在满足分辨率要求的前提下，工作中尽量选择频

率低的天线，以满足探测深度的要求。其中 一般取值为6。

（2）按探测深度选择： 探测深度（D）同媒质的视电阻率（ρ）

及天线的中心频率（f）间的函数关系以 为依据进行估算。

2.2.2时窗的选择：按探测深度（D）同电磁波在媒质中的传播

速度（V）及时窗（tw）的关系式 来表示。时窗用时间毫微

秒（ns）数表示探测深度的范围。

2.2.3天线移动速度：

扫描率一般取8，天线宽度视所用的天线而定，目标大小按探测深度而定。

2.2.4采样间隔：按天线中心频率（f）与采样间隔（t）间

的关系式 计算。

2.2.5发射脉冲频率的选择：发射脉冲频率、每扫描样品数和扫描率三者的关系为：

2.2.6增益选择原则：在不知探测目标埋深时，增益选择成指数增益，以抵消电磁波随深度作指数衰减的影响；若大致知晓目标体深度时，在该深度处的增益应选择大一些。

2.3探测方法

首先根据剖面布设原则布设剖面，并在剖面上每5～10米作好里程标记，便于观测记录和确认异常位置，以提高探测解释精度。同时作好选择合适的天线频率、观测时窗、采样间隔、移动速度等参数的设置，采用连续扫描探测法或指数增益检测法沿剖面探测，获取实时彩色显示剖面图像。探测过程中注意标记位置的一致，便于异常位置与实地位置的对应。

特征波是指强振幅，可长距离连续追踪，且波形稳定的反射波。它们一般是不同介质分界面的有效波，特征明显，易于识别、时间剖面的主要特征囚表现如下。雷达反射波同相轴发生明显错动。破碎带风化裂缝、含水量变化造成正常地层发生突变，导致两侧地层或土壤层性质发生变化，表现在地质雷达时间剖面上为地下地层界面上的雷达反射波同相轴明显错动，且断层或土壤层性质变化越大，这一特征越明显。雷达反射波同相轴的局部缺失。地下裂缝、地下性质突变和风化发育程度往往是不均衡的，由于其对雷达反射波的吸收和衰减作用，往往在裂缝、裂隙的发育部位造成可连续追踪对比的雷达反射波同相轴局部缺失，而缺失的范围与裂缝横向发育范围和土壤性质突变有关。雷达反射波波形发生畸变。由于土壤中的各种成分含量及盐碱性质对雷达波具有电磁衰减、吸收作用，这种作用在改变雷达波波形的同时造成雷达波局部频率下降，这也是探地雷达在时间剖面上识别不同性质边界的一个重要标志。不同介质的结构特征不同，内部反射波的高、低频率特征也明显不同，这可作为区分不同物质界面的依据

3 数据处理及实例

3.1 数据处理

地雷达数据解释基础是拾取反射层，通常通过钻孔取芯与雷达图像对比，建立各层的反射波组特征识别反射波组的标志为同相性、相似性与波形特征等探地雷 地质雷达隧道质检测流程达图像剖面是数据解释的基础图件，只要介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中找到与之相对应的反射波。根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波相同相位连接起来的对比称为同相轴。在无构造区，同一波组一般有一组光滑平行的同相轴与之对应，这一特征被称为反射波组的同相性。采用专用的雷达后处理软件进行数据处理。其数据处理流程如下：

3.2 实例：澄阳公路隧道衬砌质量检测

澄阳公路隧道设计宽9m、长500m、净高5.5m；设计衬砌厚度：一衬18～30cm、二衬60～80cm；钢支撑支护间距40～80cm不等；围岩为寒武系筇竹寺泥岩、泥岩夹页岩，风化程度不一，岩体破碎，岩体类别为Ⅲ～Ⅱ类。采用美国GSSI公司生产的SIR—Ⅱ地质雷达、500MHz收发合一的屏蔽天线、50ns的观测时窗、1m/s的移动速度，在隧道拱顶和两壁分别布设测线、沿测线作连续扫描法观测，检测记录图象清晰、直观、信息丰富，经数据处理、图象分析计算、分段统计：隧道的衬砌厚度、钢支撑支护间距等满足《设计》和《评定标准》要求；衬砌及衬砌背后未发现明显的空间或不密实现象。其某段的检测记录图象见下图：

由图可见，该段衬砌的混凝土均匀密实，电磁波反射很弱，反射波同相轴连续性较好，雷达图像均一。在衬砌与围岩之间，由于具有明显的电磁性差异，其反射界面清晰可辨。同时衬砌中钢支撑具有较高的电导率和磁导率，在钢支撑位置出现强烈的雷达反射特征，据此可确定钢支撑位置并计算钢支撑支护的间距。