如何提高雷達法檢測隧道襯砌質量的精度

田柏林 （中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 前 言

地質雷達作為一種無損檢測設備，具有快速、高效、連續等優點，能夠對隧道襯砌、隱蔽工程、地下管線等進行連續掃描檢測，使用方便。雷達掃描圖像與光學圖像不同，需要人工進行分析，才能得出檢測結果。即使對同一雷達圖像，不同經驗和水平的人得出的結論并不完全相同，因此對圖像的分析直接影響檢測的準確性，而獲得高質量的雷達圖像是準確分析的基本前提。本研究致力于找出影響雷達法檢測隧道襯砌精度的因素，為檢查施工質量、改進施工工藝等工作提供可靠的技術支持。

1 圖像成像質量的影響因素

1.1 儀器設備因素

1.1.1 天線的選擇

地質雷達的天線根據中心頻率的大小分為多種型號，一般隧道檢測常用的天線為400MHz～900MHz。地質雷達檢測原理是利用天線發出的寬頻帶高頻電磁波信號探測介質結構分布從而形成掃描斷面的雷達圖像。對于某一確定的介質來說，電磁波在其內部傳播的速度是一確定數值，傳播距離的大小跟頻率有關。頻率越低傳播得越遠，同時其精度越低；波頻率越高傳播得越近，其精度越高。由公式（1）c=λf（式中：c 為電磁波波速；λ 為波長；f為頻率）可知，電磁波的頻率和波長互為倒數，因而探測精度的高低和天線頻率的大小是矛盾的[1]。所以要根據被測物的深度（厚度）選擇頻率適當的天線，兼顧探測深度和精度，以獲得最佳的探測效果。圖1、圖2是某鐵路隧道邊墻分別由400MHz、1200 MHz兩種頻率天線測得的圖像。

圖1 400MHz天線測得圖像

圖2 1200MHz天線測得圖像

從圖1、圖2可以看出同一被測物利用不同天線采集到的圖像差別是很大的,1200MHz天線檢測到的鋼筋的精度要明顯高于400MHz天線檢測到的圖像；同時我們發現，400MHz天線可以檢測到除鋼筋以外襯砌內部更深位置的混凝土襯砌、巖石的分布情況，而1200MHz天線采集到的圖像上則看不到這些信息，這是因為天線本身的固有頻率制約了探測深度，決定了探測能力的大小。為了實現不同的檢測目的，天線的選擇至關重要。

1.1.2 參數設置

1.1.2.1 采樣時窗的大?。╪s）

采樣時窗即電磁波從天線發射出來以后進入介質到被目標物反射回來被天線接收到的雙程走時，雷達天線的工作原理見圖3。

圖3 雷達天線工作原理

由公式（2）v=2h/Δt 可知,采樣時窗的大小至少要足夠電磁波在該層深度（厚度）的介質內的雙程旅行時間（Δt），否則雷達主機記錄不到完整的目標體反射信號；采樣時窗也不宜設置過大，過大會記錄到目標物以外位置的其他反射信號，這些無用信號可能會很強，從而干涉目標物的反射信號，對垂向分辨率產生影響。

因此，采樣時窗的設置要結合目標物的深度（厚度）（h）、介電常數（ε）兩個參數來進行。一般認為采樣時窗長度（R）應滿足如下關系：R=2hε1/2/0.3=6.6 hε1/2，（公式3），ν=，（公式4），同時應使目標物的反射信號在采樣時窗的1/3～2/3范圍內[2]。

1.1.2.2 疊加

“疊加”參數的功能是為了增加信噪比，對每一點的測量結果進行硬件增益及光滑，記錄的軌跡為經過硬件增益及光滑后的結果。該參數的調整直接影響到掃描速度，增大參數值可顯示較弱信號，能夠提高圖像質量，但因此也降低了掃描速度。因為掃描速度過快會導致雷達主機記錄不到某些斷面的掃描圖像，造成漏檢情況的發生。因此，“疊加”參數的設置要與相應的掃描速度相匹配。

1.2 數據采集模式

對雷達法檢測精度影響最關鍵的因素則是雷達圖像成像質量的優劣。當各種因素的影響導致圖像質量很差時，就無法精確判別構造物內部的缺陷，如圖4所示為雷達天線因障礙物而脫開襯砌表面形成的圖像。因此在采集圖像時要事先清理測線走行路線上及附近的障礙物，避免在數據采集時因障礙物的影響漏掉某一位置的圖像導致不連續。

一般常用的采集模式主要有連續模式和測距模式，下面對這兩種模式的優缺點進行比較。

1.2.1 連續模式

如圖5所示，這種采集模式是最為常用的一種采集模式，在隧道襯砌檢測前每隔固定間隔（如5m、10m）在襯砌表面打點標記，里程標記應準確無誤。這種采集模式下要求在采集過程中連續行走，行走速度盡量均勻，避免時快時慢，更不應停頓。當天線沿測線行走遇到里程標記時按下雷達主機標記按鈕，掃描圖像上顯示該里程標記，從而能夠使被測物圖像與實體一一對應。

圖4 天線離開襯砌表面

圖5 連續模式采集

在用該種模式進行檢測時尤其需要注意的，一是要行走速度盡量均勻，這就保證采集到的圖像跟實體成比例；二是只有當天線正好經過事先確定好的里程標記時操作雷達主機上的打點標記按鈕，使得采集到的圖像能夠跟實體準確無誤對應。

1.2.2 測距模式

如圖6所示，該采集模式的原理是利用測距輪（距離傳感器）只有在行走時才觸發天線發射電磁波，雷達主機才開始記錄被測物反射信號。這種模式的優點在于當被測對象長度較小或比較平直，在天線沿直線行走時能夠與實體較好對應，不會漏檢也不會產生無用信號；而缺點在于實際檢測時測線往往并不是理想的直線，天線的行走軌跡無法保證按直線進行，這就導致記錄圖像與實體有較大出入。再者，由于測距輪本身的磨損會日益加劇，應在每次檢測前和檢測后對測距輪的直徑予以測量、校準，才能保證測距輪測距的準確性。

圖6 測距模式采集

圖7 襯砌混凝土與圍巖界面

通過以上兩種采集模式的對比、結合實際檢測經驗我們總結出，在檢測前應根據被測對象的實際情況選擇合適的采集模式，才能達到最佳的采集效果。

2 被測物的影響

2.1 介電常數的標定精度

地質雷達發出的電磁波產生反射的前提是介質內部不均一而導致介電常數發生變化。相鄰介質的反射系數：（公式5），式中ε1、ε2為相鄰兩層介質的介電常數。介電常數差別越大，反射越強，反射系數的絕對值也越大。反射系數的正負是由電磁波依次入射的兩層介質的介電常數決定的，反應在圖像上的差別為反射波的相位不同。因此，在進行隧道襯砌檢測時當電磁波從內部構造比較均一的混凝土層進入到充滿裂隙、富水等復雜構造的圍巖層時，由于介電常數的差異會引起電磁波的反射，介電常數差異越大，反射越明顯，從而區分混凝土層和圍巖的界面，得到混凝土層的厚度，如圖7所示。

混凝土的介電常數隨其構成材料的不同而有一定差異，這就要求檢測人員要對襯砌混凝土的介電常數進行標定，才能從檢測文件中獲得準確的襯砌混凝土層的厚度值。標定可以選擇在該隧道相關結構物上進行，標定時需注意標定部位與其他被測部位的原材料基本相同、混凝土強度和配合比基本一致。采用鉆芯法量取厚度或在襯砌端頭直接量取厚度h，利用公式（2）v=2h/Δt、公式（4）ν=，計算出相對介電常數ε，輸入數據處理軟件，提高厚度檢測的準確性。如圖8、9為同一位置當介電常數分別為6.0和10.0時的厚度值。

圖8 介電常數為6.0時的厚度值

圖9 介電常數為10.0時的厚度值

從圖8、9可以發現，當介電常數為6.0時該位置的厚度為50cm，而當介電常數為10.0時，該處的厚度值約為40cm，兩者相差達10cm。由此看出介電常數不準確將對厚度值的判別帶來很大的誤差。

2.2 混凝土齡期

由于水的介電常數為81，普通混凝土的介電常數一般在4～10之間，當混凝土齡期較短時，混凝土內部存在較多水分，在一定程度上會對雷達掃描圖像產生影響。因此在對混凝土結構質量進行檢測時，混凝土的齡期應大于60d3]。

3 準備工作及特殊地質

隧道工程中圍巖的情況是復雜多變的，不同等級的圍巖其襯砌設計也是隨之變化的。檢測前的準備工作應包括仔細查看設計圖紙，記錄預埋物安放的位置及數量；詳細查看施工記錄、詢問現場施工技術人員在隧道施工過程中圍巖的變化情況，記錄圍巖較差、比較發育、裂隙破碎帶等加固處理的位置，在檢測完畢后文件處理時參考使用；在檢測過程中，實時記錄測線經過位置所遇到的預留溝槽、配電柜、避車洞、消防設備等預留洞室的位置、大小等信息，以便后期圖像處理時查閱，排除干擾，避免與混凝土內部缺陷混淆，造成誤判。如圖10為某鐵路隧道經過加固處理的圍巖掃描圖像。

4 外界干擾

4.1 環境條件

雷達天線發射信號不僅僅是向被測物一個方向發射，同時會朝其它方向發射信號，由于隧道在環向是封閉空間而非開闊環境，因此天線發射的信號在隧道另一側或其他物體上的反射信號也會被天線接收到。雖然這些信號的強度可能很弱，但經過信號疊加等可能會形成比較明顯的干擾波，這就要用到處理軟件進行濾波，去除雜波干擾。

4.2 周邊金屬物質的影響

圖10 某鐵路隧道經過加固處理的邊墻雷達圖像

圖11 雷達天線逐漸接近襯砌臺車時的反射圖像

由于金屬材料的介電常數是無限大的，當雷達波遇到金屬物體時會產生非常強烈的反射，如圖11所示為天線逐漸靠近襯砌臺車時的雷達圖像。隧道工程檢測時遇到的金屬物體主要有墻壁上鋪設的電力線纜及支架、施工機具、襯砌臺車、風機預埋底座以及在地上堆放的鋼筋等，在檢測前應對此類物品進行清理、整理到測線以外或盡量避開，以避免、減少干擾信號的形成。

5 典型圖像

雷達波對介質的反射圖形具有一定的特征、規律，因此我們應對此類典型圖像要有明確的認識和理解。以下列舉幾種最常見的雷達反射圖形，在對雷達掃描圖像分析時可供參考（如圖12～圖18）。

圖12 某高速公路隧道照明、風機電纜預留槽

圖13 鋼拱架反射圖像

圖14 隧道下錨段、避車洞反射圖像

圖15 自制模型中鋼筋反射圖像

圖17 空洞的反射圖像

圖18 脫空的反射圖像

6 圖像處理

6.1 人員素質

檢測人員應具有地質雷達方面豐富的專業知識、熟知設備的性能及使用方法，在檢測工作中不斷積累經驗，善于分析總結，提高對檢測圖像的分析能力、技巧。

6.2 數據處理軟件的運用

對于部分成像質量不佳的檢測文件可以通過圖像處理軟件，運用技術手段對較弱信號進行增益處理以增強信號強度，除去反射雜波，排除障礙物干擾信號，對檢測到的有用信號進行識別，充分利用圖像提供的信息，提高檢測精度。如圖19、20為經過軟件處理前后的對比。

圖19 原始反射圖像

圖20 經軟件處理的反射圖像

6.3 檢測實例

隧道襯砌施工過程中出現一些問題是在所難免的，利用雷達法對隧道襯砌實時進行跟蹤檢測無疑會起到積極的作用，實踐證明這種方法是切實可行、方便有效的。經過對檢測文件的分析，可以判別實體工程存在缺陷的位置及種類，從而指導后續施工、改進施工工藝，避免類似問題的繼續發生或對已經存在的問題進行處理、改正，保證工程質量。如圖21為某鐵路隧道拱頂從檢測文件上判斷為脫空的圖像，圖22為對該部位實體上鉆孔注漿處理，證實該部位存在脫空缺陷。

圖21 隧道拱頂脫空雷達圖像

圖22 隧道拱頂脫空處注漿處理

7 結 論

①根據實際情況，合理選擇儀器設備、參數及采集方式，盡可能提高圖像的采集質量，為圖像分析提供可靠保障；

②對設計情況及特殊地質在檢測前要進行充分了解，以便在后期圖像處理時參考；

③對各種干擾形成的強烈信號要有明確認識，避免與被測物信號產生混淆；

④提高對典型圖像的認知、分辨能力，必要時制作相關模型，加強對比；

⑤加強技術手段的運用，對圖形進行處理，去除干擾信號、甄別有用信息，提高對圖像的解釋精度，進而提高檢測的精度。

通過本研究，我們找出了影響雷達法檢測隧道襯砌質量精度的各種影響因素，對今后開展隧道襯砌質量的檢測工作將有很大的幫助。對于就如何提高圖像本身的解釋精度我們將進一步進行深入探討。

[1]李孟娟,李川.探地雷達檢測隧道襯砌厚度的研究[J].物探化探計算技術,2008（3）.

[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).

[3]汪謀.地質雷達探測效果影響因素研究[J].雷達科學與技術,2007(2).