隧道工程車載探地雷達檢測應用分析

唐偉

（廈門鐵研工程科技檢測有限公司）

近幾年，我國建成隧道長度不斷增加，隧道工程在交通體系中占據著越來越重要的地位。在隧道運營后，因長時期地質水文作用以及線路荷載振動干擾，隧道病害高發，嚴重威脅著隧道安全。車載探地雷達檢測是隧道工程主要無損病害診斷手段之一，利用車載探地雷達檢測技術，可以一次全斷面高速診斷隧道病害，為隧道病害的及時發現、定位、解決提供依據。因此，探索隧道工程車載探地雷達檢測技術具有非常突出的現實意義。

1 隧道工程車載探地雷達檢測內容

1.1襯砌狀態檢測

襯砌狀態檢測主要是檢測襯砌厚度及其內部缺陷、襯砌背后空洞及其回填情況等，如襯砌局部不密實表現為雷達界面強反射信號同相軸呈繞射弧形，信號較分散，而襯砌密實則表現為雷達界面信號幅度較弱甚至無界面反射信號[1]。一般隧道工程襯砌狀態車載探地雷達檢測用天線多選擇空氣耦合式天線，拱頂接觸網兩側設置2 組天線，車體安裝6 組天線，接觸網遮擋時增設1組天線，天線距離邊墻1.5m，距離拱頂1.7m～2.0m。

1.2滲漏水病害檢測

隧道工程滲漏水病害復雜多變，可利用車載探地雷達檢測隧道不同區域滲水位置、滲水程度，為滲漏水病害處理提供依據。一般隧道工程滲漏水病害檢測需選擇中心頻率為300MHz 的天線，在距離襯砌表面1m 位置監測空氣層、襯砌層、圍巖層滲水區域。根據雷達數據各種信號為襯砌水病害處理提供依據。

2 隧道工程車載探地雷達檢測方法

2.1檢測工具選擇

車載探地雷達檢測工具主要為檢測天線、牽引車、車載探地雷達系統。一般檢測天線為短喇叭型空氣耦合天線，天線盒為屏蔽雷達信號與其他通信源的金屬殼，可同時滿足2側邊墻、拱頂、拱腰檢測要求[2]。

2.2檢測參數確定

車載探地雷達檢測主要用剖面法，即發射天線、接收天線以固定間距沿著測線同步移動測量。在測量前，技術人員應選定車載探地雷達檢測系統參數，包括天線中心頻率、間距、采樣頻率、采樣時窗等[3]。其中天線中心頻率應以滿足分辨率要求以及場地條件為依據，優選低中心頻率天線，降低接觸網、銅芯電纜、信號燈、圍巖中非均勻體對檢測目標的干擾。同時根據有耗介質內電磁波傳播能量衰減特點，可以車載探地雷達檢測天線可接收最遠距離反射信號為依據，進行天線中心頻率的選擇，見表1。

表1 頻率與可接收最遠距離反射信號

在車載探地雷達檢測天線中心頻率確定后，技術人員可以依據車載探地雷達最大探測深度與電磁波傳播速度的關系，確定脈沖記錄道中首個點到最后一個點期間的時間長度，即采樣時窗，估算方程如下：

式中，W為車載探地雷達檢測采樣時窗，一般時窗需預留30%余量；hmax為車載探地雷達最大探測深度；v為介質中電磁波傳播速度。

車載探地雷達垂向分辨率應大于等于地層厚度的1/4 波長；車載探地雷達橫向分辨率需大于第一菲涅爾帶半徑，第一菲涅爾帶半徑與雷達子波波長、異常體埋藏深度有關，具體如下：

式中，rf為第一菲涅爾帶半徑，m；λ為雷達子波的波長，nm；h為異常體的埋藏深度，m。

2.3外業檢測

車載探地雷達外業檢測主要用多通道雷達技術，每一通道均可錯開發射信號、接收信號，保持高效率運行。一般多通道高速掃描速率與系統脈沖重復頻率具有較大關系，即車載探地雷達檢測掃描速率為雷達系統電磁波脈沖重復頻率（Hz）與每道采樣數據采樣點數的比值。比如，在車載探地雷達檢測電磁波脈沖重復頻率為500kHz、每道采樣數據采樣點數為512 個時，車載探地雷達檢測掃描速率大約為976scan/s。

2.4數據處理

在車載探地雷達檢測掃描數據獲得后，檢測操作人員應將多通道雷達數據文件分割為單通道數據，促使處理操作次序、參數全部文件化，高速同步切換處理多通道數據。常見數據處理操作為去背景、去直流分量、信號自動增益、高速低通濾波等[4]。其中去背景操作主要是提取襯砌以及圍巖有價值信號，規避阻抗不匹配引發雷達水平回波信號噪聲，凸顯襯砌及其下部圍巖信號；去直流分量操作主要是借助單道信號減去實際通道信號均值，壓制直流漂移分量，規避雷達剖面數據正負半周不對稱問題；信號自動增益主要是針對隧道襯砌、隧道圍巖有損耗介質內電磁波傳播衰減特點，適當補償目標信號衰減量，獲得更加清晰的襯砌與圍巖深部目標反射信息；高速低通濾波主要是利用帶通濾波器對雷達信號進行濾波，截留高頻、低頻分量，避免雜波毛刺干擾信號。處理后，技術人員可以選擇通道進行比較分析，以判斷隧道病害性質以及面積。

3 隧道工程車載探地雷達檢測案例

3.1隧道工程概述

某隧道工程里程為HY15+480～HY15+660，呈東西走向。工程所處場地為Ⅰ級階地，呈侵蝕～堆積地貌。現擬選擇XJ-VMGPR 型車載探地雷達系統（成都西安交大研究院有限公司研發）檢測隧道襯砌厚度與滲透水病害。已知健康襯砌相對介電常數為7，滲水襯砌相對介電常數為30，健康襯砌電導率為0.001s/m，滲水襯砌電導率為0.01s/m。

3.2車載探地雷達檢測操作

在車載探地雷達檢測操作前，根據隧道車輛限界要求，安裝3 組空氣耦合天線，總布置6 條，分別在隧道左邊墻、隧道右邊墻、隧道左拱腰、隧道右拱腰、隧道左拱頂、隧道右拱頂。雷達天線極化方向與隧道橫斷面成90°，天線高度分別為0.6m、0.75m、0.9m、1.05m、1.10m，空氣耦合天線與邊墻相距0.93m～1.5m，天線與隧道拱頂相距1.7m～2.2m，天線與隧道襯砌表面距離為0.8m，接收天線與發射天線距離為0.05m。隨后設定車載探地雷達檢測天線中心頻率300MHz。

確定隧道內部無車輛、工程機具、堆料阻擋以及通訊設備干擾時，選擇平整路面進行檢測，避免檢測牽引車大幅度顛簸造成雷達數據層位精度下降。全程檢測范圍為距離隧道襯砌表面2.0m深，檢測時窗60ns，采樣點數為512，網格步長0.02m，掃描速率為976scan/s，掃描間距16mm，測試速度為175km/h，檢測速度在80km/h以內，選擇道間距為5cm。

3.3車載探地雷達檢測結果分析

外業檢測進入尾聲后，經信號處理系統生成雷達數據。根據雷達數據檢測結果，可以判定隧道狀態。案述工程預處理參數見表2。

表2 隧道襯砌數據預處理參數

根據表2 預處理后，選擇車載探地雷達檢測系統自帶DCC 直流分量修正、BGR 背景去除、AMP 信號放大等方式，識別層界面及有價值信號，輸入波速，拾取隧道二次襯砌厚度界面并存入Excel表格，得出結果局部見表3。

表3 隧道二次襯砌厚度統計分析結果

由表3 可知，檢測段襯砌厚度和設計結果相差較小，合格率達到98%以上。表明車載探地雷達檢測適用于隧道襯砌厚度檢測，可以清晰展示襯砌管片上下界面信號，顯著提高隧道襯砌厚度檢測精度與可信度。

提取健康襯砌、隧道滲水襯砌表面反射信號平均振幅、襯砌中雙程走時，得出結果見表4。

表4 隧道健康襯砌與滲水襯砌傳播參數

由表4 可知，編號1 為健康襯砌，編號2、3、4 均為滲水襯砌，滲水襯砌表面反射電磁波信號強于健康襯砌表面反射信號，且隧道襯砌滲水信號反射強烈程度與滲水病害嚴重程度成正相關。對比分析編號2、3、4 對應數據可知，在滲水襯砌中，電磁波傳播能量衰減快，雙程走時長。表明車載探地雷達適用于隧道滲水襯砌檢測，可以在一定范圍內探測隧道滲水病害位置，并根據信號反射速度、振幅判定滲水病害程度。

4 結語

綜上所述，車載探地雷達檢測是根據電磁波傳播理論，經發射天線向被探測隧道發射高頻電磁脈沖，在電磁波傳播到隧道交界面時，因介質電性差異，部分雷達波能量可在界面出現反射，反射能量可被接收天線接收，為隧道狀態診斷提供依據。檢測人員應明確車載探地雷達檢測在隧道工程中的快速、全斷面優勢，合理設計車載探地雷達檢測參數，均勻布置測線，并分析反射信號時延、頻譜特性、波形等參數，為目標隧道介質厚度、性質、病害位置及危害程度信息的解譯提供依據。