探地雷达在隧道衬砌缺陷检测中的应用

陈 伟 ， 常 军 ， 巩文龙 ，2

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

我国隧道及地下工程事业自20世纪80年代以来，特别是进入21世纪以来得到了快速发展。据有关部门2016数据统计，2015年底运营铁路隧道有13 411座，总里程13 038 km;同时，对于10 km以上特长隧道的建设也是一大亮点，仅在2015年全年就新增特长隧道18座，总里程245 km[1－2]。据不完全统计，在中国已经建成的隧道中，有接近三分之二的隧道存在病害，隧道衬砌作为隧道的主要支承结构，其质量的好坏关系到隧道能否安全运行，因此，寻求一种快速、无损、高效的检测方法尤为重要。目前，探地雷达检测被认为是一种较为合适的方法[3]。然而，探地雷达数据解释技术与工程勘探所需的高精度和高分辨率的客观要求还存在一定的距离。因此本论文从隧道雷达检测的工程实例出发，在前人的基础上，进一步分析解释病害图像的特点，从而提高解析隧道探地雷达的图像精确度。

1 探地雷达电磁波基本理论

1.1 探地雷达基本原理

探地雷达通过发射天线发射高频电磁波，接收天线接收来自地下介质界面的反射波。依照电磁场与电磁波理论，雷达波在地下介质传播过程中，如果遇到电性参数（介电常数[4]、磁导率、电导率）存在差异的地下目标体或物性分界面时，会发生反射、绕射现象；雷达波的传播路径、电磁场强度及波形也会随介质的介电性质、几何形态发生变化。因此根据天线接收到的回波双程走时、幅度和波形等资料，可对回波进行相应的数据分析和处理，在结合实际工程地质概况以及其他参数，可以推测地下界面或地质体的结构分布、空间位置。探地雷达工作原理示意图如图1所示。图1中“T”为发射天线;“R”为接收天线;x为发射天线与接收天线的间距，m；h为目标体的埋藏深度，m；εr为地下介质的相对介电常数。

图1 探地雷达工作原理示意图

1.2 电磁波传播特征

电磁波作为探地雷达探测时信息传递的媒介有其固有的传播规律，借助其传播规律可以获取想要了解的重要信息。

探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为

式中，c为空气介质中电磁波的传播速度，ε为介质的介电常数。

电磁波脉冲在探地界面上的反射系数为

式中，ε1、ε2分别为界面上下介质的相对介电常数。

反射系数常用来描述入射波与反射波相位与幅度的关系。在探地界面上，相位与发射脉冲相同反射系数就为正，反之，反射系数为负[5]。常见介质相对介电常数如表1所列。

由于不同介质相对介电常数有所差异，对雷达波的削弱作用不一样，探地雷达波通过不同介质材料时的传播速度有所不同，故反射波的强弱也有所不同。当雷达波经过介质突变层时，反射波会出现能量的变化，而利用此方法就可以探测到地下或者工程设施内的介质分布情况，进而确定其内部结构。

雷达波经过不同界面时根据表2[6]可以得出各种介质的反射雷达波特点，对于衬砌结构来说，雷达波通过的介质主要有混凝土、钢筋、钢拱架、围岩、空气层以及含水层，雷达波在衬砌结构中不同介质的传播以及反射规律[7]如下。

表1 常见介质相对介电常数

表2 常见地质现象及波型特征

（1）混凝土

衬砌的主要是由混凝土所构成。混凝土是由水泥和砂按比例混合而成的建筑材料，一般混凝土由于充分的搅拌混合反射波形会较平稳连续的，同相轴也相对稳定。雷达波的反射率跟混凝土的密实度成正相关，通过分析混凝土层的雷达波形可以得出混凝土的密实度状况。

（2）钢筋及钢拱架

衬砌中的主要介质除了混凝土还有钢筋与钢拱架。由于钢筋是良导体，雷达波经过钢筋与钢拱架时几乎不会被削弱，所以在雷达波经过衬砌与钢筋的界面时会出现全反射，接受到的能量也很强，所以在雷达剖面图上会出现显著异常。一般钢筋在雷达剖面图上的特征图形表现为双曲线，圆弧顶所在的位置极为钢筋的位置[8]。

（3）围岩

不同于以混凝土为主的隧道衬砌，围岩一般是不规则的岩土，反射相对较弱。因为混凝土材料与围岩的相对介电常数差异较大，故通常可以根据雷达剖面图中分层界面同相轴的位置确定衬砌的厚度[9]。

（4）空气层

在使用地质雷达检测衬砌时，如果存在脱空层，则会出现一段异常的反射波。由于雷达波在经过空气层是会发生折射，且空气与围岩、混凝土层的波阻抗差异明显，体现在雷达剖面图上则时一段反方向的反射波且反射较强烈，波相白灰相间[10]。

（5）含水层

当衬砌中出现渗水等病害时，衬砌中则可能混入了含水层。水对雷达波有很强的削弱作用，所以当雷达波通过含水层时，会出现一段能量衰减的过程。

当雷达波通过不同介质时，会出现呈现一定规律的反射波，可以根据反射波来反推出衬砌内部以及衬砌背后的情况。对于隧道衬砌病害的检测来说，主要检测的病害为不密实、空洞、存在水、裂缝以及脱空等，这些病害的发生都伴随着介质的改变，故可以利用地质雷达对衬砌病害进行检测。在有钢筋网的衬砌中，会出现金属的强反射信号，根据这些反射的雷达波便可得知衬砌内部的结构，比如钢筋与钢拱架的分布。

1.3 探地雷达的分辨率

探地雷达的分辨率是指探地雷达分辨最小探地异常体的能力，分为垂直分辨率和水平分辨率两种。探地雷达的波长是探地雷达垂直分辨率的主控因素[11]。当目标体的尺度大于1/2波长时，目标较容易被识别。假设为垂直最小可分辨层的厚度，其可由下式计算得出

式中，ε为介电常数；f为电磁波频率；C为电磁波在真空中的传播速度。

可见垂直分辨率与电磁波频率和介电常数密切相关，频率越高，介质的介电常数越大，D越小，即垂直可分辨层的厚度越薄，分辨率越高[12]。

探地雷达的水平分辨率是指探地雷达在水平方向上分辨最小探地异常体的能力。

式中，Rf为分辨率；H为反射面埋深。

当反射面的埋深为H，发射、接收天线的间距远小于H时，Rf表征了水平分辨率的最小尺度。当目标体埋深越浅，雷达波频率越高，波长越短，则Rf越小，水平分辨率越高，越有利于不良探地体的识别。反之，水平分辨率越低。

实际检测过程中，现场作业条件差，雷达数据采集不可避免地受到过多干扰，如挖机、钻机等机械施工，放炮等震动影响，对后期的数据处理带来困难。不但降低检测精度，而且对图像的识别造成影响。因此，在实际检测过程中应该合理安排检测时间，尽量避开其他施工工序，减少干扰，提高信号接收质量，采集参数根据其探地条件优化，数据处理解释阶段采用多种处理手段提高信噪比，进一步提升探地雷达检测精度。

2 衬砌病害及常见识别方法

拱顶是隧道病害常常出现的位置，这与隧道的施工工艺密切相关，因此进行隧道衬砌检测时通常选择三条测线，即拱顶一条测线，拱顶测线左右两侧3～4 m处各布置一条侧线。

采用MALA探地雷达和500 MHz、800 MHz屏蔽天线，对山东在建某隧道衬砌质量检测。依据现场实际探地情况设置探地雷达参数，进行隧道衬砌检测后，经过Reflexw专业软件去直流漂移、切直达波、增益调整、去水平波、带通滤波、滑动平均等步骤的处理，进一步提高了探地雷达图像的质量和可辨识度。

2.1 确定衬砌厚度

初衬与围岩的介电常数差异明显，因此造成的反射信号有着显著不同，在探地雷达图像上，初衬与围岩相交的界面层处常常表现为明显的连续界限。由于施工技术的限制，隧道围岩的开挖会出现大小不平的问题，这就使得隧道初衬与围岩接触部分呈现出高低不平的连绵状起伏[13]。二衬与初衬介电常数有略微的差别，它们之间如果契合较好，在雷达图像上则不容易观察到其分界面或仅有较弱的反射信号。当衬砌中有钢拱架和钢筋网存在时，它们对雷达波的反射较强烈，在雷达图像上可看到连续、强烈的反射图像[14-15]。可以根据围岩与衬砌之间介电常数的差异所形成的反射界限，推断出衬砌的厚度。如图2所示，红线标出了二次衬砌围岩的分界线。

如图3所示，在黑色矩形标识内，可以看出明显的绵延反射界限，反射强度较周围大，根据它与上边界的距离推断出衬砌厚度。红线所标出的衬砌厚度大致介于0.4～0.6 m之间，与设计厚度0.5 m基本一致。但在K4+254～K4+256有实测只有0.42 m，与设计厚度相差8 cm。

造成衬砌厚度不足的原因很多，一是毛洞开挖不平整或防水板铺设不密实，造成衬砌与围岩之间有空隙，如果长期受水及风化侵蚀，造成衬砌开裂或者掉块，衬砌厚度减少。二是施工单位偷工减料，而监管又不到位造成衬砌未按设计厚度，厚度减少。

图2 雷达反射图像1

2.2 脱空

脱空包含隧道衬砌内部的空洞，二衬与初支之间的空洞，初支与围岩之间的空洞等。其中，衬砌内部的空洞通常是由于二衬注浆不密实或者初支喷浆不合理造成的，这种原因造成的空洞一般比较小，在雷达检测图像上为双曲线反映。二衬与初支之间的空洞主要是因为在施作二衬的时候台车变形，模板下沉，混凝土收缩导致两者之间出现空洞，这种原因造成的空洞图像并非双曲线，而是出现了同相轴的异常。初衬与围岩之间的脱空也是同样的道理[16]。

如图4、图5所示，椭圆形范围内出现了二衬的空洞，常成弧形、长方形或三角形，存在局部的强反射界面，内部反射杂乱。

图4 雷达反射图像3

图5 雷达反射图像4

2.3 不密实

由于隧道衬砌施工工艺的限制，常常会出现不密实的情况。不密实造成衬砌空隙率变大、强度降低、易遭受水及风化侵蚀，在雷达图谱上表现为区域性的凌乱强反射区，波形较为杂乱，同相轴错断，均表现为“杂乱”的波阻特征[17]。

如图6所示，矩形框内反射比较混乱，可看出比较明显的反射界面。防水板铺设时不紧密，有褶皱出现，常常造成初衬与二衬之间的不密实；混凝土调配不合理，含水率过大容易掉落或混凝土没有捣实；拱顶混凝土浇筑时有气泡产生，造成衬砌内部不密实。衬砌不密实，使衬砌强度降低，常采用后注浆处理。

图6 雷达反射图像5

2.4 钢筋及钢拱架分布

由于钢筋和钢拱架较周围岩层性质差异较大，在有钢筋和钢拱架处呈现出亮的强反射，其中钢筋呈连续的小月牙形分布，钢拱架呈单个大月牙分布，波幅较钢筋大，较容易识别。在处理后的雷达图像上很容易看出钢筋以及钢拱架的数目，以及存在钢筋缺失不紧密，衬砌钢筋保护层偏厚等质量缺陷[18]。

如图7所示，用“1”、“2”两条横线标出了衬砌中双层钢筋的排布情况。

图7 雷达反射图像6（两条横线分别为双层钢筋的分布图）

如图8所示，红色椭圆区域内为单个钢拱架雷达检测图，图中可以清晰看到灰度图的强弱显示，从而得出钢拱架的排布情况。

图 8 雷达反射图像7（圆圈内为钢拱架）

3 工程实例

3.1 山东在建某隧道概况

山东在建某隧道是按双向八车道设计，单洞最大开挖断面为超过200 m2，属于超大断面隧道。其长度也超过3 000 m，探地条件十分复杂，穿越多条断层破碎带。断层、破碎又是隧道施工时最常见的不良探地，受地下水影响，狸猫山地区溶洞较多，浅埋且穿越风景区，因此施工难度格外大，对工程质量尤为重视。

3.2 数据采集

3.2.1 仪器要求

在隧道探测过程中选用MALA探地雷达，在具体检测过程中配备500 MHz和800 MHz屏蔽天线，其探测深度能够到2 m，在探测精准度和深度上都能满足此隧道衬砌厚度要求，并且可以掌握衬砌厚度的情况。

3.2.2 数据采集

对隧道二次衬砌混凝土质量和钢筋情况进行了无损检测，采用GPR探地雷达检测方法，天线频率为500 MHz屏蔽天线，图9、图10为探地雷达衬砌无损检测照片。

图9 隧道雷达初支现场检测

图10 隧道雷达二衬现场检测

3.3 数据处理

依据工程检测经验，数据处理采用MALA探地雷达系统的原配软件及其它分析处理软件，根据收集和掌握的设计、勘察、施工等资料进行计算分析。其主要处理方式是去直流漂移、切直达波、增益调整、去水平波、带通滤波、滑动平均等处理手段压制随机的和规则的干扰波，突出有用的信息。根据处理后的雷达图像，通过对检测波形的时间剖面、波形及振幅的变化规律等的对比分析[19]，最后得到对隧道衬砌厚度、空洞、密实情况等进行综合分析。隧道出口右洞二衬右拱腰K4+000～K4+800分析如图11所示。

3.3.1 原始雷达采集信号（取K4+006～K4+030段分析）

隧道出口右洞二衬右拱腰K4+000～K4+800分析如图11所示。

图11 原始雷达采集信号

3.3.2 去直流漂移

在探地雷达检测图像中往往会出现直流漂移的问题，隧道检测通常是高频信号，较容易受到外界的地质因素产生偏移，因此，在雷达信号分析时应校正偏移的雷达波（即去直流漂移）。图12为去直流漂移后的雷达图像。

图12 去直流漂移后的雷达图像

3.3.3 切直达波

直达波是探地雷达干扰的主要来源之一，对于隧道衬砌这类浅层探测来说，直达波强度可与目标回波相比较，甚至大于目标回波幅度。因此，结合工程数据采取直接从探地雷达剖面图中切去直达波信号干扰的方法。图13为去除直达波干扰后的雷达图像[20]。

3.3.4 增益调整

对于雷达接收的微弱信号（比如目标回波），为使得雷达波能够更清晰，并且必须保证接收的信号能够被信号处理软件处理，需将此信号放大到合适的大小，即调大增益。对于雷达接收到的强信号，如各种干扰，为使信号更为清晰，保证接收机不过载，需调小增益。图14就为增益调整之后的雷达图像。

图13 切直达波后的雷达图像

图14 增益调整后的雷达图像

3.3.5 去水平波

水平干扰信号在增益之后都得到放大，为使雷达图像更为清晰，需要去除水平波的干扰。图15为去除水平波之后的雷达图像。

图15 去水平波后的雷达图像

3.3.6 带通滤波

通过带通滤波可以让一定频带宽度内的信号通过，而阻止频带以外的信号。如500 MHz屏蔽天线，频带宽度就为500MHZ左右，阻止差异太大的频带通过。图16为带通滤波后的雷达图像。

图16 带通滤波后的雷达图像

3.3.7 滑动平均

使前五步骤处理的图像更平滑，并且去除大量的假信号，图17为滑动平均后的雷达图像。

图17 滑动平均后的雷达图像

其中，隧道出口右洞二衬右拱腰K4+653～K4+687段出现病害，图18为拱顶位置处探地雷达检测图像，从检测图像中可以看到在K4+653～K4+687里程范围内，矩形框内反射比较混乱，可看出比较明显的反射界面和杂乱的反射波，因此，在此里程段出现不密实以及脱空现象；对脱空位置需要进行注浆处理。

图18 K4+653～K4+687里程范围拱顶位置检测图像（方框内为病害位置）

4 结语

本文在介绍探地雷达电磁波基本理论的基础上，深入分析了不同介质对电磁波反射的影响，通过典型病害图对衬砌内部缺陷进行详述。根据工程实例，详细阐明雷达信号的处理方法和信号的识别。

在工程检测中，电磁波主要通过五种介质：混凝土、围岩、钢拱架、空气层、含水层，根据电磁反射波可以确定这五种介质在衬砌中的分布，分析跟理论不同的图像，从而得到衬砌中病害的位置和情况，并对各种病害图像特点进行论证总结，为探地雷达检测人员提供参考，为施工提供相应的技术支持，从而达到提高隧道衬砌质量的目的。