隧道壁后空洞检测的探地雷达试验

刘迎春， 覃 晖

（1.徐州徐工养护机械有限公司，江苏 徐州 221000；2.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

0 引 言

在已建或在建的公路隧道中，由于设计、施工、环境等方面的原因，出现衬砌空洞病害的现象十分普遍，给隧道的施工和运营造成了严重威胁［1-4］。

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）作为目前广泛关注，备受推崇的检测方法，因其无损、连续、快速、高效而又操作简便等特点，在隧道衬砌空洞的检测中得到了越来越多的关注［5-8］。然而，对于探地雷达检测参数的设置和图像识别多依赖于人工经验，这也制约了探地雷达快速检测技术的广泛应用［9-11］。

本文通过模型试验模拟隧道衬砌内部以及衬砌背后存在的具有代表性的空洞，并对其探测图像进行分析，从中提取有用信息，用于指导实际条件下的隧道衬砌空洞探测图像的处理和识别工作。

1 探地雷达原理

GPR是用高频电磁波（1 MHz～3 GHz）来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法［12-13］。如图1所示，探地雷达系统主要由雷达主机、信号发射机和发射天线、接收机和接收天线组成。高频电磁波以宽频带、短脉冲的形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收，高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形会随其通过介质的电性特征及几何形态不同而发生变化，故通过对探地雷达回波的采集、处理和分析，可以确定地下界面或异常体的结构及空间位置。

图1 探地雷达工作原理示意图

2 模型设计和制作

2.1 隧道衬砌模型

本试验模型以某公路隧道的设计资料为依据，并根据公路隧道的一般特点进行设计。隧道衬砌模型如图2所示，模型二衬采用C30混凝土浇筑，配筋包括水平钢筋、竖向钢筋以及连接钢筋，直径分别为22、12和8 mm，间距均为0.33 m（即3根／m）。二衬后防水材料由两层组成，第1层为PVC防水板、第2层为土工布。防水层后为初衬，初衬采用C25商品混凝土浇筑。初衬后填筑黄砂来模拟衬砌背后的围岩。

图2 隧道衬砌实物

模型平面尺寸为4.2 m×4.2 m，高2.0 m。模型平面形状为“口”字形，四面由混凝土墙组成，编号1＃、2＃、3＃和4＃。各混凝土墙体模拟不同测试工况，分别为：

（1）1＃墙。600 mm厚钢筋混凝土二衬＋防水层＋250 mm厚素混凝土初衬，衬砌内设置空洞。

（2）2＃墙。600 mm厚钢筋混凝土二衬，不设空洞。

（3）3＃墙。600 mm厚钢筋混凝土二衬＋防水层＋250 mm厚素混凝土初衬，二衬与初衬间设置脱空。

（4）4＃墙。600 mm厚素混凝土二衬，不设空洞，用于波速测定和对比试验。

2.2 空洞模型

在衬砌内部和衬砌背后设置空洞，模拟各类探测情况如下。

（1）二衬内部空洞设置在1＃墙内，如图3（a）所示。衬砌内共设置4个立方体空洞，编号为V1～V4，分为两组：

第1组。V1和V2，位于二衬内部，其中V10.1 m×0.1 m×0.1 m，埋深0.3 m；V20.2 m×0.2 m×0.2 m，埋深0.36 m。

第2组。V3和V4，位于二衬与初衬界面，其中V30.1 m×0.1 m×0.1 m，埋深0.47 m；V40.2 m×0.2 m×0.2 m，埋深0.37 m。

（2）二衬和初衬间脱空设置在3＃墙内，如图3（b）所示。脱空竖直方向位于3＃墙0～0.9 m高度范围，水平方向延伸长度1.5 m，脱空层厚度从左向右由0变化到0.25 m。

（3）衬砌背后1 m处空洞设置在2＃墙内，如图3（c）所示。考虑不同尺寸的空洞，分别为0.16 m×0.16 m×0.12 m、0.32 m×0.32 m×0.12 m、0.32 m×0.32 m×0.24 m。

图3 模型内空洞设置（mm）

3 空洞检测模型试验

3.1 数据采集

采用加拿大Sensor＆Software公司pulseEKKO PRO系列探地雷达进行探测试验，分别选用中心频率为1.0和0.5 GHz的天线，研究不同频率电磁波的探测效果。探地雷达系统主要由控制单元、发射／接收天线、电池等组成，试验设备如图4所示。

图4 探地雷达试验设备

3.2 数据处理

由于探地雷达图像存在衰减以及大量杂波，严重影响了数据的质量，因此在对图像进行分析和识别之前，需要对图像进行一定的处理。探地雷达数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在探地雷达图像上显示反射信号，压制噪声，增强信号，提高资料信噪比，帮助解释人员对资料进行分析［14-15］。本试验采用的数据处理流程如图5所示。

图5 探地雷达数据处理流程

3.3 试验结果

（1）衬砌内部空洞探测结果。分别用1.0和0.5 GHz天线对衬砌内部空洞进行探测，探测结果如图6所示。从图中可以看出，1.0 GHz天线能够探测到空洞V1和V2，V1埋深0.32 m（相对误差6.7%），V2埋深0.35 m（相对误差2.8%）。对于埋深较大的空洞V3和V4，1.0 GHz天线只能够探测到尺寸较大的空洞V4，埋深0.39 m（相对误差5.4%），而无法探测到尺寸较小的空洞V3。1.0 GHz天线无法探测到V3的原因在于V3的尺寸较小而埋深又较大，超出了1.0 GHz天线的穿透深度。

图6 衬砌内部空洞探测结果

0.5 GHz天线对衬砌内部4个空洞得探测效果均较好，V1埋深0.31 m（相对误差3.3%）、V2埋深0.37 m（相对误差1.4%）、V3埋深0.48 m（相对误差2.1%）、V4埋深0.39 m（相对误差5.4%）。0.5 GHz天线的雷达图像上，空洞的反射信号非常明显，呈现出明显的双曲线特征，易于辨认。

（2）二衬与初衬脱空探测结果。分别用1.0 GHz、0.5 GHz天线对二衬与初衬脱空进行探测，探测结果如图7所示。从1.0 GHz天线的雷达图像上已经完全不能找到脱空的反射信号，说明脱空的埋深已经超过了1.0 GHz天线的穿透深度。

从0.5 GHz天线的雷达图像上可以明显分辨出楔形脱空上表面的反射位于0.65 m（相对误差8.3%）处，脱空区的下表面在雷达图像上反映不出来。并且，从左至右随脱空的厚度越来越小，反射信号也逐渐减弱，在测线长度为1.2 m之后，脱空厚度小于0.05 m，脱空反射回波已难以分辨。

（3）衬砌背后空洞探测结果。由于1.0 GHz天线只能探测到衬砌内部浅层空洞，而0.5 GHz天线在探测较深空洞时仍然保持良好性能，因此，对于衬砌背后空洞，选择0.5 GHz天线进行探测，探测结果如图8所示。

图8 衬砌背后空洞探测结果

从图像特征看，空洞反射回波均没有明显的抛物线特征，但可从图像上看到明显的多次反射波。并且，空洞厚度为0.12 m的图像多次反射较少，而空洞厚度为0.24 m的图像多次反射较多。因此，雷达图像上的多次反射可以作为判定衬砌背后空洞的依据。

4 结 论

本文通过模型试验对探地雷达检测隧道衬砌空洞进行研究，试验结果可为天线频率选择、空洞识别提供参考依据，主要结论如下：

（1）1.0 GHz电磁波在混凝土中穿透深度有限，仅能探测出衬砌内的浅埋空洞，0.5 GHz电磁波在探测试验中表现出较好的性能，对衬砌内部和衬砌背后空洞都有较好的探测效果。

（2）对衬砌内部空洞，1.0 GHz电磁波可探测出埋深0.3 m以内的空洞，但当空洞埋深超过0.47 m时，已无法分辨出边长小于0.1 m的立方体空洞；0.5 GHz天线可探测出衬砌内所有空洞，空洞的反射信号非常明显，有明显的双曲线特征，可作为判别依据。

（3）二衬与初衬脱空在0.5 GHz电磁波的雷达图像上可以明显分辨出上表面的反射，当脱空厚度小于5 cm时，识别难度增大。

（4）0.5 GHz电磁波可有效检测出衬砌背后1 m处的空洞，在雷达图像上空洞不再表现出明显的双曲线特征，但可以通过多次反射来分辨，并且空洞的厚度越大，多次反射的特征越明显。