地質雷達在隧道探測中的圖像研究

劉 海

（廣東天衡工程建設咨詢監理有限公司武漢管理中心 武漢 430063）

隨著國內地質雷達儀器研制水平的提高與國外先進儀器的引進，地質雷達探地技術已在工程地質勘查、結構工程質量檢測、災害地質調查與考古等眾多領域得到了越來越多的應用。但是，由于地質雷達圖像解釋目前還沒有統一的規范、規程，各檢測單位均根據自己的經驗對雷達圖像進行處理、分析，因此雷達圖像解釋水平參差不齊。筆者在對采集到的大量雷達圖像進行整理、分析的同時，提出了自己對雷達圖像解析的認識，為地質雷達解釋水平的提高積累了經驗。

1 地質雷達檢測技術簡介

地質雷達是利用高頻電磁波檢測地下介質分布或對不可見目標體、地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁技術。地質雷達儀通過發射天線直接向探測目標發射高頻電磁波，電磁波在介質中傳播，當遇到存在電性差異的目標體，如混凝土、鋼支撐、圍巖、不密實區、空洞等時，電磁波便發生反射，返回到被探測體表面時被接收天線接收，在對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎上，根據雷達波的波形、強度、雙程走時等參數便可推斷探測物體內各介質的空間位置、結構、電性及幾何形態，從而達到對隱蔽體的探測［1］。

2 現場檢測

2.1 設備介紹

國內經常使用的地質雷達儀分別為美國的SIR－20型探地雷達與瑞士的ZOND－12型探地雷達。上述兩款儀器都具有天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實時數據處理和信號增強，現場實時顯示二維彩色圖像等特點。其中以美國的SIR－20型探地雷達應用最為普遍。

2.2 雷達天線的選擇

目前在地質雷達探測中使用最廣泛的是900，500，100MHz天線。頻率高的天線，精度高，能量衰減快，探測深度淺。頻率低的天線，精度相對較低，能量衰減較慢，探測深度較深。因此選擇天線時應根據探測的深度與精度要求來確定。

根據介質的不同，各天線的探測深度通常是：900MHz天線探測深度為1～2m，500MHz天線探測深度為7～10m，100MHz天線探測深度為30～50m。目前900MHz天線主要用于結構物檢測，500MHz天線主要用于路基路面檢測，100MHz天線主要用于地質勘察與隧道的超前預報。

2.3 測線的布置

（1）公路檢測。①路基、路面檢測：路基、路面檢測時雷達測線主要是沿縱向布置，一般布置1～2條測線。也可以每隔50m沿橫斷面布置1條橫向測線作為輔助測線。在有病害的路段應加布橫向測線；②隧道檢測：隧道檢測中雷達測線應以縱向布線為主，橫向布線為輔。縱向布線應在隧道拱頂，左、右側拱腰，左、右側邊墻，隧底各布置一條。橫向布線可按檢測內容和要求布設線距，一般情況線距8～12m；采用點測時每斷面不少于6個點。如發現不合格段落應加密測線和測點。

（2）地質勘察。地質雷達應用于地質勘察主要有公路選線與工點勘察，詳細查明橋梁工點基巖面的起伏，探明滑坡體的厚度與寬度，在隧道開挖掘進中探明掌子面前方圍巖情況。除隧道掌子面前方圍巖探測時測線采用井字形布置外，其他測線均采用縱向布線。

2.4 地質雷達波速的標定

因為電磁波在不同介質中的傳播速度是不同的。因此在進行地質雷達圖像分析解釋時，必須要先知道電磁波在被探測介質中的傳播速度vi。在可進行雷達波速標定的介質中，每次探測前標定應不少于1處，每次實測不少于3次，取平均值為該介質的介電常數或電磁波速。當介質介電常數變化較大時，應適當增加標定點數［2］。

標定可在介質已知厚度部位或與介質材料相同的預制件上進行，還可以通過鉆孔實測。

標定結果按下式計算：

3 隧道內不同介質的雷達圖像辨識

（1）鋼支撐的雷達圖像。見圖1。圖像中月牙形的強反射亮斑即為鋼拱架在雷達圖像中的反映。由于高頻電磁波在鋼支撐表面發生全反射，因此在該處的反射信號最強，雷達偽彩色圖像呈現月牙形［3］。

圖1 鋼拱架雷達圖像

（2）鋼格柵的雷達圖像。見圖2。圖像中的黃綠色原子團狀物質即為鋼格柵在雷達圖像中的反映，由于鋼格柵存在空隙，因此雷達波在該處的反射信號沒有型鋼拱架那么強，它在雷達偽彩色圖像上反映為類似倒寫的英文字母W。

圖2 鋼格柵雷達圖像

（3）裂隙水的雷達圖像。見圖3。圖像中藍紫色的強反射區域即為裂隙水在雷達圖像上的反映，之所以會發生類似鋼拱架的強反射是因為水的相對介電常數為81，與其他介質的相對介電常數成倍數關系，水的表面幾乎將雷達波的全部高頻信號反射，形成了對高頻信號的屏蔽效應，所以雷達圖像上會有很清晰的反映。

圖3 裂隙水雷達圖像

（4）混凝土不密實區的雷達圖像。見圖4。圖中標注1為介質表面，標注2為格柵拱架，標注3為襯砌與圍巖的分界面，c區域為不密實區。該區域雷達圖像特點為：入射波未正常衰減，存在多次反射，從圖像上至少可識取3個反射界面，因此該區域內介質不均勻，存在不密實區。在雷達偽彩色圖像上反映為背斜狀反射圖形。

圖4 不密實區雷達圖像

4 隧道探測中容易引起誤判的雷達圖像辨析

在做地質雷達檢測時，如果檢測環境惡劣，施工情況復雜，雷達天線不易移動時，常會收集到一些失真的雷達圖像。為了避免這些失真的雷達圖像給我們造成誤判，需要根據自己的檢測經驗對采集的數據進行“去偽存真”。下面對實際檢測中容易造成誤判的失真雷達圖像進行辨析。

（1）雷達天線通過預留洞室時的圖像解析。在做二次襯砌邊墻檢測時，由于邊墻上常常會有一些預留的洞室，該洞室實際就相當于一個人造空洞，它在雷達圖像上會有很明顯的反映，見圖5。

圖5 預留洞室雷達圖像

為了在分析時不產生誤判，需將它與真實的不密實區區分開來。從預留洞室和不密實區的部位不難看出，它們最大的區別就在于其檢測部位不同。預留洞在檢測面的表面，不密實區則存在被檢測體的內部。它們在雷達波上的區別就是預留洞室在波的傳播路徑上多了一個空氣層。據此，就可以找到分辨它們的方法。圖5中標注d為雷達波在空氣層中的波形圖，它與雷達波直接發射到檢測面的波形圖的區別是：在標注d區域存在兩個波的視周期都較窄，而正常雷達圖像中只有一個波的視周期較短，也就是直達波的視周期較短。直達波是直接在介質表面發生反射的波，它的傳播路徑就是空氣。而雷達天線經過預留洞室時電磁波的傳播路徑多了一層空氣介質，電磁波在空氣中傳播時，波的高頻信號沒有損失，因此可以看到有2個幾乎沒有衰減的波峰出現。這是判斷雷達天線是否經過預留洞室的最顯著特征。而雷達波之所以會在空氣與介質中存在視周期不同的現象，是因為雷達波在入射進非空氣介質時在介質表面將損失大量的高頻信號，當剩余的低頻信號復合成新的波形圖時，它在時間軸上的視周期自然會變寬（如標注e區域）。因此當入射波存在連續的窄的視周期波形圖時，可以得出該雷達圖像為預留洞室的雷達圖像。

（2）雷達天線在離開檢測面時的雷達圖像辨析。從圖6中可以清楚地看到一個斜面，如白色箭頭所示，該斜面反映的是雷達天線離開探測物體表面后又貼緊探測面的過程。其他的雷達圖像辨析與圖5類似，當雷達天線離開被檢測面時，雷達天線與被檢測面間就多了一個空氣層，從右側的波形圖就可以發現它出現了2個視周期很短的波峰，因此可以判斷雷達天線脫離了被測體表面。

圖6 天線脫離表面雷達圖像

5 結語

運用地質雷達探測隧道內部不可見介質是一種先進的無損檢測技術。與傳統的人工取心相比，地質雷達按測線檢測所采集的數據量更大，更加具有真實性，同時更經濟快捷。

通過對隧道內部各介質的雷達圖像進行辨析，找出了它們在雷達圖像上所反映的圖形特征，為今后的雷達圖像解釋積累了經驗，同時對檢測中容易引起誤判的雷達圖像進行了分析說明，為提高雷達圖像解析的準確度提出了很好的建議。

［1］李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京：地質出版社，1994.

［2］熊昌盛.提高地質雷達在隧道二次襯砌檢測中探測精度的方法［J］.鐵道建筑，2008（1）：61－63.

［3］陳禮偉.地質雷達檢測隧道襯砌質量中的問題研究［J］.巖土力學，2003，24（10）：146－149.