地質雷達在隧洞檢測的相關應用

徐馳

摘要：地質雷達具有高分辨率、無損性及高效率等優點，是地下隱蔽工程有力的調查工具，在建筑結構勘察、生態環境、工程地質調查、水文地質勘測及無損檢測等領域應用很廣。此文分析地質雷達的檢測原理、檢測影響因素、檢測技術等。

關鍵詞：隧洞檢測；地質雷達；原理；技術

隨著國家加大水利建設的投入，以及對水利工程質量的高度重視，采用地質雷達對隧道襯砌進行檢測較為普遍。在介質中高頻電磁波有高衰減性，應用受一定限制。檢測效果除了與技術有關外，還與其他因素密切相關，需做好深入分析。隧洞地質雷達的檢測原理、檢測影響因素及檢測技術等為以下重點研究的。

一、隧洞地質雷達的檢測原理

地質雷達作為電磁技術可確定地下介質的分布光譜，光譜范圍1MHz-1GHz。介質中的電磁波傳播，其電磁場強度、路徑、波形可隨著通過介質幾何形態及電磁性質而變化，故按照接收波雙程走時（反射時間）、波形資料及幅度等，便能推斷介質結構。

當隧道襯砌有缺陷時，缺陷襯砌和良好襯砌之間介電常數對比有所差異，導致雷達波異常反射。地下異常體幾何形體可概括為面狀體和點狀體，其中面狀體包括層面、裂隙等，點狀體包括管線、孔洞等。不同地下異常體的雷達圖像特征不同，面狀體為線狀反射，而點狀體反射為雙曲線弧。反射波振幅可用于判斷異常區特征，反射波走時可用于判斷異常位置，公式為h=（v2t2-x2/2）1/2，h表示異常體深埋，v=c/ε1/2表示介質中電磁波傳播速度，ε表示介電常數，經測定或查相關參數獲得，c表示空氣中電磁波傳播速度；t表示雙程走時，而x表示收發距[1]。空氣ε為1，電導率0，傳播速度03m·ns-1，吸收系數0；水ε為80，電導率05ms·m-1，傳播速度033m·ns-1，吸收系數01dB·m-1；黏土ε為5-40，電導率2-1000ms·m-1，傳播速度006m·ns-1，吸收系數1-300dB·m-1；混凝土ε為4-20，電導率1-100ms·m-1，傳播速度012m·ns-1；金屬ε為300，電導率1010ms·m-1，傳播速度0017m·ns-1，吸收系數108dB·m-1。當發射天線和接收天線沿著被檢測的物體表面作同步逐點移動時，便能獲得內部介質的剖面圖像，以此進行襯砌質量檢測。

二、地質雷達的檢測影響因素

1、現場環境

主要體現在檢測面平整度和雜波干擾兩方面。干燥空氣中雷達波速度03m/ns，是混凝土3倍。若檢測面較不平整，則雷達天線和其側面無法緊密接觸，存在空氣；如間隙較大，則被檢測面可顯示異常界面，產生多次反射信號，和襯砌內異常界面交錯或重疊出現，可將干擾信號誤判地下埋設物，或所推斷襯砌層厚度較實際厚度偏大。隧道中的部分物體可形成反射信號，如金屬構件，導致記錄圖譜多變，難以分辨，例如通信信號線、接觸網高壓電纜線、架線作業車金屬平臺。

2、檢測區間的物理狀態

雷達波波速決定著探測物深度判斷精準度。襯砌層原材料影響襯砌層雷達波的傳播速度。就隧道襯砌來說，混凝土振搗及攪拌均勻性、設計等級等均對介電常數取值有影響，故襯砌層的物理狀態對雷達波變化有直接影響，主要為襯砌層材料及含水量變化影響。例如，雷達波水中速度033m/ns，而混凝土速度012m/ns，說明水對隧道檢測的精度有很大影響[2]。

3、分辨率

分辨率直接決定了檢測效果，并決定著物探分辨最小異常介質能力。收發天線的頻率與探測深度有關，頻率越低，則深度越深；而頻率越高，則分辨率越高，不同土壤情況有不同探測深度。采用高頻天線，可確保雷達分辨率足夠，但高頻天線可降低探測深度，對檢測效果有影響。

三、如何提高地質雷達檢測效果

1、對檢測區間的物理狀態作細致了解

檢測前，需對隧道內設施情況、設計資料及施工記錄等作詳細了解，對隧道運營情況予以細致觀察，重點觀察襯砌裂隙有無滲漏水。

2、取芯位置布置應合理

實際檢測前，按照襯砌混凝土電磁波速及介電常數予以現場標定。標定地質雷達電磁波速度對檢測精度有很大影響，需合理布置標定地質雷達的波速取芯點位，分別統計不同狀態下襯砌層雷達波速，認真分析其變化規律，爭取對雷達波速誤差導致的探測偏差予以有效控制。

3、天線應滿足檢測需要

結合檢測需要，選擇頻率不同的天線，針對性的尋求探測最佳精度比及深度。從探測深度及分辨率兩方面，對隧道不同襯砌部分檢測要求予以綜合衡量，并按照雷達探測深度及精度要求，選擇天線。所有天線可綜合運用或單獨采用人工采點及連續采點。

4、有效抗干擾

加強現場描述，對現場強干擾物體（無線發射源和重金屬等）位置進行準確描述，如電燈、電纜線。檢測時，若天線移動時與襯砌表面的距離發生改變，襯砌和圍巖間反射信號及表面信號為同步變化，但隧道物質反射波為反向變化，與之形成較明顯的反差，則可推斷反射波位置，來自襯砌內或隧道內[3]。

加強多次反射信號的區分。襯砌的內部結構較為復雜，在內部結構層和面層可發生多次反射信號，并容易和內部結構面反射信號偏離或重疊，從而造成結構界面厚度判斷錯誤。需做好多次反射信號區分，防止資料判讀出現偏差。

利用軟件處理采集數據，處理方法可選擇手動控制或自動控制增益，抑制雜波，對介質吸收予以補償；背景去噪，對隨機干擾的噪聲進行抑制，使信噪比提高；時頻變換及濾波處理，去除突出目的體或高頻，減少多次波影響，使背景噪聲降低。

結束語：

在隧洞檢測中，地質雷達起重要作用。想要獲得滿意檢測效果，應詳細了解隧洞襯砌物理狀態，并對地質雷達電磁波速度作客觀標定，以此提高檢測精度。筆者查閱資料及文獻，對隧洞檢測中地質雷達技術作出分析，供學者參考。

參考文獻：

[1]李磊，王鵬禹，陳光榮，董棟.地質雷達檢測技術在隧洞工程中的應用[J].水利水電施工，2011，04：55-58.

[2]竇寶松，鮑維猛，陳楠.地質雷達在隧洞襯砌檢測中的應用[J].水利建設與管理，2009，05：12-14.

[3]程立，祁增云，楊顯文.地質雷達在引水隧洞襯砌與灌漿質量檢測中的應用[J].勘察科學技術，2012，01：59-61+64.