地质雷达在公路隧道工程检测中的应用

张鹏

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州730000）

0 引言

当前，在我国公路建设过程中，公路隧道工程的施工质量对于公路工程的建设质量影响较为明显。如果公路隧道施工质量出现问题，会影响整个公路的通行顺畅程度，严重时导致隧道坍塌，堵塞公路交通，造成额外的经济损失以及人员伤亡，因此需要重视公路隧道工程的施工质量控制工作。地质雷达检测技术作为当前常见的公路隧道检测技术之一，是一种物探手段，不会对现有隧道结构产生任何破坏，并且检测精度高、时间短，但对操作人员专业技能以及综合素质要求较高。因此，加强地质雷达检测技术在公路隧道工程检测中的应用研究意义重大。

1 地质雷达检测技术的工作原理

地质雷达检测技术作为当前应用较多的地球物理检测技术之一，是利用一定频率的电磁波对地下介质分布情况实施精准探测。地质雷达检测技术主要利用发射天线定向发射高频率电磁波，当电磁波接触到电性差异大的地层或物体时，会在接触表面产生明显反射，利用雷达天线实时接收这些反射信号，雷达天线可沿待检结构物表面连续移动，所测的每个测点的时间曲线可以汇成时间剖面图像，就能直观地反映各种不同的反射面。再通过专用软件对接收的反射波进行处理解译，便可依据反射波波形、振幅、频率、相位及传播时间等参数，准确定位物体的结构以及空间位置。

通常电磁波在传播过程中会出现一定程度的衰减，而衰减程度与物体埋深、介质电性差异等方面相关。如果介质电性差异越大，接触界面反射信号清晰度越高，并在雷达剖面图上表现出同向轴不连续的情况，由于不同地层介质介电常数、分布形态的差异，电磁波在其中传播时表现为不同的特征。当地下介质组成单一时，在雷达图像上反映为同相轴连续、波形规则，波长较短；如果地下介质由不同的介质体组成，它们之间存在介电常数差异，对电磁波的传播产生影响，从而形成各种不同形态的雷达图像[1]。

2 公路隧道工程检测中地质雷达检测技术的使用步骤

2.1 前期准备工作

在公路隧道工程施工阶段，地质雷达检测技术应用作业前，技术人员应当对于地质雷达设备进行检验及性能评估，确保地质雷达设备能够正常使用，防止在检测过程中发生设备损坏等问题。同时，技术人员应结合被测物体特征，选择合适的地质雷达数据采集参数，如天线频率、采集模式、时窗大小、增益、带通滤波等，利用反复检测以及多项检测等方式，对于地质雷达数据检测精准度进行检验，确保其满足公路隧道工程的检测要求。

2.2 地质雷达检测线路布置

在使用地质雷达前，技术人员应当参照现场隧道走向、断面面积及地质条件等信息，根据检测目标以及检测内容选择合理的检测线路。一般来说，地质雷达检测线路布置形式分为单点检测、网格测线及纵向连续测线等。在隧道超前地质预报检测时，多采用井字形网格测线形式。在隧道衬砌混凝土结构质量检测时，多采用沿隧道拱顶、拱腰及边墙布置多条纵向连续测线形式[2]。

2.3 地质雷达数据采集

数据采集以及分析功能作为地质雷达检测技术应用的核心功能之一，实际在地质雷达检测过程中，数据采集及分析相关参数应该合理设置，避免分析成像模糊以及数据偏离。技术人员应根据探测深度以及介质传播速度，合理估计相关参数，参照现场情况确定检测方式。当前地质雷达滤波器主要分为手动及自动设置方式，其中自动设置方式应用较多。基于实际现场需要，技术人员手动调校时，可选择高通以及低通调校模式。如果地质雷达成像结果清晰度不足时，特别是最终结果噪点数量多且存在其他干扰时，可使用滤波器实施信号处理，尽量将低通调低，高通调高。如果滤波器设置通过频率范围过小时，一些有用信号也会被过滤，致使信号数据发生显著偏离及失真，此时需采用反向调节方式增加信号宽度。现阶段，增益调试模式包括自动及手动模式，其中手动调试模式应用较多，直达波及反射波位置确定以及调试工作较为重要，直达波位置调校不到位，回波图完整度则会受到明显影响[3]。

2.4 地质雷达数据分析以及数据解释

在实际数据分析阶段，技术人员利用专业软件对于地质雷达波形图进行处理。地质雷达剖面图采用最大分辨率显示反射波，再利用反射波振幅、波形等参数实施波谱分析，最终形成地质雷达检测结果。

2.4.1 波谱分析

根据波谱分析理论，反射波反射系数R 主要依据菲涅尔公式进行计算。

式（1）中：ε1、ε2分别为反射界面上、下两层介质的介电常数。

反射系数越大则说明介质的介电常数差异性越大，反射波能量越大，反射越强烈，两侧介质的属性均可利用反射波的反射振幅进行具体判断。

同时，也可利用反射波的相位对介质进行判定。如果反射波从低介电常数介质向高介电常数介质方向传播时，反射系数表现为负数，说明反射波的相位和入射波相反，为负相位。反之，反射波由高介电常数介质向低介电常数介质传播时，反射波的相位为正相位，并与入射波振幅方向相同，以此可以判断界面两侧介质的属性及反射方向[4]。

一般来说，不同介质的结构特征具有明显的差异性，而反射波频率特征也不相同，根据这些特性可以对被测物体的表面实施有效区分。以岩石和混凝土比较来说，混凝土较为均匀，成分较为单一，入射波能量衰减小，其内部反射波强度较弱，基本无反射，频率多为中—高频，通常在混凝土内部缺陷位置才会产生反射波。在地质雷达图像处理过程中，反射信号传播至连续介质时，则会形成同向轴，而根据同向轴的形态、时间、强弱和方向等诸多数据，技术人员能够分析评估被测物体的内部结构情况。通常同向轴形态与地下埋设物质界面形态具有一定的差异性，尤其基于边缘反射效应，边缘形态实际差异较为明显，以单独的地下埋设物为例，其反射同向轴具体表现为抛物线，并且抛物线开口向下。

2.4.2 雷达探测深度对于数据分析的影响

在地质雷达检测阶段，随着雷达探测深度的逐步增加，雷达信号强度也会明显减弱。因此，针对这种情况，技术人员应当利用数字滤波以及相关系数调整等方法实现数据处理。如果雷达探测深度相对较远时，需要采用水平滤波器和垂直滤波器双重滤波，确保扫描效果。地质雷达的有效探测深度与雷达天线的中心频率成反比，而检测精度与天线的中心频率成正比。在隧道超前地质预报时，多采用50～100MHz的天线，有效探测深度可达20～30m；在隧道衬砌厚度及密实度检测时，多采用400～500MHz 的天线，有效探测深度可达1～2m；在隧道衬砌钢筋检测时，多采用900～1000MHz 的天线，探测深度达0.3～0.5m。

3 公路隧道检测过程中地质雷达检测技术的具体应用

3.1 衬砌混凝土厚度检测

在衬砌混凝土厚度检测过程中，传统检测方法，如钻芯法，会对钢筋混凝土产生明显的破坏，且容易破坏隧道的防排水系统，对于整体工程质量影响较大，容易造成运营期隧道发生渗漏水，并且检测结果代表性较差。基于这种情况，目前在国内公路隧道建设领域，已大量应用地质雷达检测技术，对衬砌混凝土厚度实施有效检测。应用该技术不会对于混凝土整体性造成破坏，并且雷达检测具有明显的连续性，使实际检测结果的精准度更高。因此，目前地质雷达检测技术已逐渐成为公路隧道工程重要的质检方法。地质雷达检测衬砌混凝土厚度图像，如图1所示。

图1 地质雷达检测衬砌混凝土厚度图像

3.2 混凝土缺陷情况检测

通常在公路隧道工程施工过程中，由于超挖严重、初喷混凝土平整度差、混凝土和易性差及浇筑工艺不合理等原因，衬砌混凝土经常发生密实度低、脱空面积大以及空洞数量多等缺陷问题。针对这些情况，传统的破损检测方法难以满足质量控制需求，因此采用地质雷达检测技术重点检测混凝土缺陷情况已成为一种必不可少的检测手段。一般来说，在混凝土空洞内存在大量空气，如电磁波从衬砌进入空气时，介电常数波动较为明显，进而产生一定的反射波。而且处于空气介质中，电磁波衰减幅度较小，会在空洞中出现多次反射情况，呈现特定的波形特征，通过这些波形特征便可确定混凝土的缺陷情况（见图2）。

图2 典型衬砌缺陷雷达图像

3.3 钢支撑位置以及数量检测

当前混凝土内部钢支撑位置以及数量检测时，均利用地质雷达检测技术实施检测作业。由于钢支撑密度相对较高，地质雷达发出的电磁波遇到钢材后会产生强烈的反射波。这些反射波利用软件数据处理则会生成相应的反射图像，见图3。如果地质雷达检测出混凝土中有钢支撑，其反射波会呈现明显的月牙形，每个反射波表明1 榀钢支撑以及其在混凝土中的具体位置。因此，通过地质雷达检测技术，技术人员能够准确判定被检测位置的施工质量是否达标，从而显著提升整体施工质量的检测效率，减少人工检测工作量以及检测成本。

图3 初期支护钢支撑雷达图像

3.4 隧道超前地质预报应用

在隧道施工过程中，会遇到复杂多变的地质条件，仅仅依靠设计阶段的地勘报告很难准确把握隧道掌子面前方围岩的具体情况。如果在不清楚围岩的情况下，贸然开挖，极易发生塌方、突水、涌泥等安全事故，造成恶劣的社会影响和严重的经济损失。目前地质雷达检测技术已成为隧道超前地质预报，尤其是中短距离预报最常用的方法之一，可广泛应用于对断层破碎带、岩溶、节理裂隙发育带、软弱夹层以及地下水等不良地质的预测预报。电磁波在完整岩体中传播时，入射波能量衰减慢，基本无反射。反射波特征为：波长短，频率高，振幅小，波形较规律，无强反射界面。当电磁波遇到上述不良地质体时会产生强反射波，反射波的波长、频率、振幅和同相轴会发生不同的变化，可以根据波形特征和参数判断前方围岩中不良地质体的规模、位置和发育程度。为施工提供依据，提前采取措施，降低安全事故的发生率。

4 地质雷达检测技术在公路隧道检测中的应用优化

当前在工程质量检测过程中，地质雷达检测技术应用较为广泛，特别是在公路隧道施工质量检测方面，能够对隧道施工质量进行综合评估。在具体技术应用过程中，地质雷达检测技术检测的精准度、图像分辨率、后续软件处理效率以及探测密度等均可精准调整，可在较短时间内检测出公路隧道的施工质量，并且地质雷达检测技术操作简单，使用成本低。但不同的检测技术应用范围具有一定的差异性，而且地质雷达检测技术自身存在一些缺陷以及待优化部分。地质雷达检测技术在公路隧道检测过程中应用的不足之处包括两个方面。

一是隧道衬砌厚度值与电磁波在混凝土中的传播速度具有必然的关联性。在实际衬砌厚度检测时，工作人员主要利用自身经验对于电磁波速度进行实时调节，误差较大，受工作人员的工作经验、技术能力等诸多方面因素影响较为明显。因此，需优化算法或增加新设备用于精准调控电磁波传播速度。

二是受表层钢筋多次反射干扰的影响。在地质雷达检测时，电磁波在反射过程中形成大量的信息数据，再通过相关数据分析确定钢筋背后结构情况，而天线与钢筋之间的电磁效应较强烈，以及表层钢筋出现多次反射情况，均会对钢筋结构的判断产生显著影响。

5 结语

综上所述，当前我国公路隧道工程建设数量不断增加。基于提升施工安全以及施工质量的目的，很多施工单位已引入地质雷达检测技术对工程进行有效检测。地质雷达检测技术针对隧道内部结构实施有效扫描，并根据扫描数据形成相应的数据图谱，再根据图谱分析确定公路隧道内部结构安全隐患、衬砌厚度、脱空以及密实度等情况。根据实际检测结果，施工人员能够制定相应的处理措施，确保整体工程的施工质量，提升隧道使用的安全性以及稳定性，并在一定程度上减少隧道日常维护工作量。