影響地質雷達隧道襯砌檢測精度的原因及解決方法探析

張康喬

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100041）

1 引言

目前，隧道襯砌無損檢測大多采用地質雷達，而在使用過程中因檢測環境、儀器參數設置、數據采集處理以及檢測人員水平等各種因素的影響，往往造成檢測結果存在一定誤差。只有了解地質雷達的工作原理、檢測過程存在的干擾因素、影響檢測精度的原因，并結合檢測情況采取一定的措施，才能提高地質雷達在隧道襯砌檢測中的精度。

2 地質雷達原理簡述

地質雷達是一種利用高頻電磁波技術探測地下物體的電子設備。地質雷達天線發射端發射出中心頻率為12.5～1 200 MHz、脈沖寬度為0.1 ns 的脈沖電磁波信號，電磁波在穿過不同介質時的直達信號和反射信號通過地質雷達檢測天線接收端輸入雷達主機，信號放大后由示波器顯示出來。在電磁波傳輸過程中，不同介質的介電常數不同，對電磁波信號吸收、反射程度不同，所以在傳播過程中，當電磁波信號從一種介質進入另一種介質時，就會在2 種介質分界面發生反射，雷達天線接收端接收反饋的信號在示波器顯示就會有差異。根據示波器有反射信號的差異，分析接收被檢測介質反射回來的電磁波時間、頻率和振幅等特征，就可以推斷地下介質的空間位置、結構性質及幾何形態，可以判斷被檢測的介質是否均勻密實、有無異常，從而達到對地層或地下目標體的探測。

3 地質雷達檢測存在的幾種誤差

以濟萊項目王家隧道為例，在施工初期使用地質雷達進行隧道襯砌檢測時，因檢測環境、儀器參數設置、數據采集處理以及檢測人員人水平等各種因素的影響[1]，造成當時的檢測結果存在一定誤差。具體來說有以下幾種誤差。

1）環向誤差。即在隧道某個里程斷面環向位置，存在檢測判定缺陷的位置與現場實際驗證存在缺陷的位置不在同一點，沿隧道斷面環向存在點位誤差。

2）里程、長度誤差。即檢測判定缺陷位置的里程與現場實際驗證存在缺陷的里程不一致，檢測判定的結果與現場實際在里程上存在誤差；或者檢測判定的拱架間距、鋼筋間距與現場驗證的結果不符。

3）深度誤差。即檢測判定的隧道襯砌厚度、鋼筋保護層厚度、缺陷深度等與現場實際驗證的結果不一致。

4）缺陷誤判、漏判。即檢測判定缺陷的結果不準確，例如，檢測某里程段隧道襯砌本來沒有缺陷，卻被判定為脫空、不密實；或者本來該里程段隧道襯砌存在鋼筋下面混凝土不密實，檢測報告上判定合格。

4 影響檢測準確性的原因

4.1 環向誤差原因

檢測前對測線位置的布設沒有進行規定，檢測過程中由于檢測臺車、檢測人員及其他因素影響，無法保證每次檢測的同一測線總是在同一位置，造成現場檢查驗證的位置，與原來現場檢測位置不在同一條直線，或部分位置不重合[2]，從而造成檢測判定的襯砌厚度、襯砌空洞及脫空程度與實際驗證結果存在一定誤差。

4.2 里程、長度誤差原因

1）現場里程點標注錯誤，如待檢測段隧道墻壁上的里程標記點有漏標、錯標或者里程數標寫錯誤，導致相鄰里程標記點之間的里程差與實際間距不符。

2）檢測原始記錄錯誤，檢測過程中的檢測文件號、檢測位置、檢測起止里程、檢測長度、標記點間距等的原始數據記錄錯誤，導致記錄的檢測位置與實際現場檢測位置不相符合。

3）采集數據中里程標記錯誤，采集數據過程中進行里程標記時光標不準確，或者存在漏標、多標的情況，即雷達主機屏幕上標記的里程光標與雷達天線實際檢測的里程位置存在偏差。

4）雷達天線移動過程的誤差，一是在時間模式（連續檢測）下，檢測過程中檢測車及人員走行速度忽快忽慢，造成雷達天線移動速度不均勻；二是在距離模式下，檢測過程測距輪存在空轉情況。

5）數據處理錯誤，數據處理時沒有將檢測圖像上多余的里程標及時刪除或對缺少的里程標記未補充；距離歸一化設置里程時，未注意檢查是否勾選逆樁號。

4.3 深度誤差原因

導致檢測深度誤差的原因主要是儀器參數設置不正確，一是檢測延時數值設置不準確，而且數據處理去除時間零點時選擇的方法不當；二是介電常數設置不對，如現場檢測時，沒有進行介電常數標定，直接使用儀器給定的混凝土介電常數，因實際檢測混凝土介電常數與設定值差別較大，造成襯砌厚度或脫空深度的判定存在一定誤差。

4.4 缺陷誤判、漏判原因

1）現場檢測環境中無線電波干擾影響。一是檢測過程中附近的通信設備、配電箱、電纜線、堆積的金屬物、照明設備等產生的干擾；二是雷達電纜線、鐵絲等金屬線盤繞、捆綁在雷達天線上，造成檢測過程雷達天線接收端受到信號干擾。尤其是在雷達檢測時，附近電焊機作業對數據采集有著明顯的影響（通過主機屏幕觀察信號可見明顯干擾）。

2）待檢測的襯砌混凝土齡期太短，混凝土含水量大。由于水與干混凝土的介電常數相差很大，造成檢測結果不準確。

3）雷達天線設置問題。更換連接不同頻率雷達天線時，未在雷達主機上設置選擇配備的天線類型；由于不同頻率的雷達天線的檢測深度和精度不同，檢測時沒有根據檢測深度及精度選擇合適的雷達天線。

4）檢測臺架行走不穩定。目前，檢測臺車大多采用裝載機上焊接鋼管架結構、可升降支架車輛、路燈檢修車等配合檢測。且由于隧道內部路面不平整、高低起伏，以及洞內各種設備和機械的阻礙，檢測臺架在行走過程中容易晃動，不能直線勻速行走。

5）現場檢測采集數據的里程段范圍太小，需要判定缺陷的部位前后范圍搭接的距離太短，雷達圖譜前后無法比照，檢測數據不具參考性。

6）檢測部位襯砌混凝土鋼筋保護層很薄，且鋼筋間距較密，雷達天線就類似在一塊鐵板上檢測，電磁波信號在鋼筋和天線之間來回振蕩傳播，造成檢測的雷達圖譜上顯示多次波信號疑似缺陷導致誤判。

7）增益調整參數設置不對，如檢測中使用同一增益參數直接從素混凝土過渡到鋼筋混凝土進行檢測，沒有根據檢測情況進行增益調整。因為隧道內不同里程段的混凝土受濕度及施工參數等各種因素影響，對雷達信號的吸收、反射程度不一樣，檢測過程中在雷達儀器顯示出的信號強弱不一樣。

8）數據處理過程中時間零點、距離歸一化、背景去除、FIR濾波器等參數設置不當。

5 提高檢測精度的措施方法

1）檢測前做好里程標記。里程尾數從0 或者5 開始，依次在隧道壁上每5 m 或10 m 用油漆標記好里程樁。里程數標記一定要清晰準確，里程點決定著檢測缺陷位置是否準確，如果一個里程樁號出現紕漏，就會造成判定結果的里程都是錯誤的。

2）隧道內的測線一定要按照規范要求的位置和數量來布設。如濟萊項目王家隧道（雙線隧道）檢測時[3]，根據隧道斷面從上到下、從左至右依次共布設了7 條測線。如圖1 所示，測線布設順序分別為：D1 測線——拱頂、G1 測線——左拱腰、G2 測線——右拱腰、B1 測線——左邊墻、B2 測線——右邊墻、Y1 測線——左仰拱、Y2 測線——右仰拱。7 條側線按照固定位置進行布設，并進行標記。每次檢測都按照標記的固定位置進行，以便保證檢測與驗證位置的一致性，尤其是初次檢測的缺陷問題整改后，進行二次復檢時，檢測線盡量與原來檢測的線重合。

圖1 隧道斷面測線布設圖

3）保證良好的檢測環境。一是檢測過程中雷達天線避開配電箱、電焊機等電氣設備，盡量減小無線電波干擾影響。二是避免將檢測電纜線、鐵絲等金屬線盤繞、捆綁在雷達天線上，造成雷達天線接收端受到信號干擾。三是保證待檢測段混凝土齡期至少在15 d 以上，減小混凝土中含水量的影響，檢測隧道仰拱時避免地面有積水。

4）選擇合適的雷達天線，設置匹配的天線參數。一般來說，隧道襯砌檢測常用的是400 MHz、900 MHz 2 種頻率的天線。在更換不同頻率雷達天線時，要注意在雷達主機設置里重新選擇匹配的天線型號。

不同頻率的雷達天線，檢測的深度和精度不同。雷達天線的頻率越高，檢測精度越高，檢測深度越小，反之亦然。在滿足檢測深度的前提下，優先選擇頻率高的雷達天線，以便提高精度。例如，對濟萊項目王家隧道進口某段襯砌及初支拱架間距進行檢測時，已知襯砌設計厚度40 cm，實際施工的襯砌厚度為41～56 cm，經過分析判定（900 MHz 天線的檢測深度約為70 cm），最終使用900 MHz 天線進行檢測，既滿足了檢測深度，又提高了檢測精度，使結果更加準確。圖2 為濟萊項目王家隧道進口某里程段的檢測圖像。經過數據處理后，雷達檢測圖像中鋼筋、格柵拱架、二襯、初支等結構物清晰可見。

圖2 隧道襯砌雷達檢測圖

5）標定介電常數。雖然雷達儀器參數設置里給定了混凝土的介電常數值，但混凝土的配比、齡期、含水量的差異，導致介電常數不盡相同。因此在實際檢測中，可能存在選擇的介電常數與現場混凝土介電常數值不相符的情況。因此在檢測時，要對隧道混凝土的介電常數值標定不少于1 處，當隧道長度大于3 km、襯砌材料或含水量變化較大時，應適當增加標定點數。

6）增益調整。隧道檢測否能發現缺陷，信號增益是整個檢測結果判定的靈魂，不同圍巖等級、不同襯砌支護，檢測過程中在雷達儀器顯示出的信號強弱不一樣，就需要不同的增益。增益調整時，先進行自動增益調整，如不滿足要求，再進行手動增益調整。總體原則就是把淺部信號減弱，深部信號增強。增益調整時，信號波峰、波谷左右的寬度盡量不要超過邊界線，否則會造成信號過強，影響結果判定，保證信號波峰、波谷左右的寬度為邊界線寬度的3/4 為宜。

7）檢測過程中，要不間斷觀察雷達儀器顯示屏，當采集出現異常情況時，即時停止，調試正常后再繼續采集。根據隧道內設置的里程標記，每5 m 或10 m 在雷達主機上打一個里程光標，檢測至整百米里程時打雙里程光標。原始數據的記錄要正確、詳細，對施工中存在變更、坍塌、預埋件以及檢測異常情況的部位要記錄清楚。檢測過程中在屏幕上標注里程光標時要確保雷達天線與里程標記斷面重合。避免提前、推遲或漏標里程光標，導致缺陷判識里程與實際產生較大偏差，無法準確找到缺陷準確位置[4]。

8）采集雷達數據時，單個保存的文件不宜過大，檢測段里程較長時，應分段進行檢測，每200～400 m 為一段保存一次檢測數據。避免因檢測距離過長，數據采集中少打或多打里程光標時難以核查，導致數據處理距離歸一化容易出錯。中間同一測線分段采集時需進行搭接，且搭接檢測的長度不宜小于5 m。

9）盡量選擇距離測量模式，使用在雷達天線上安裝配套的測距輪來進行檢測。如選擇時間模式進行連續測量，檢測過程中的天線移動需保持密貼、平穩、均速，不可忽快忽慢，否則后期數據距離歸一化后，雷達圖譜被壓縮或拉長，圖像產生變形，里程位置、長度產生偏差。

10）數據處理時按照去除時間零點、距離歸一化、調整增益、數字濾波、反卷積等步驟，一步一步進行操作，每一次保存數據文件命按照操作步驟命名。如檢測圖像效果清晰，時間零點、距離歸一化完成后可直接進行缺陷判定。

11）數字濾波時根據有效信號和干擾信號的頻譜分布范圍的不同，可以采取低通、高通的方法來消除干擾信號波。通過設置一個合適的濾波范圍，將干擾波濾除，就得到了濾波以后的結果。一般數字濾波時，400 MHz 雷達天線檢測數據濾波低通、高通分別取值800 MHz、100 MHz；900 MHz 雷達天線檢測數據濾波低通、高通分別取值1 400 MHz、400 MHz。

12）判定缺陷時，除了依據雷達檢測圖像外，還要結合隧道設計參數、現場檢測時的情況綜合考慮[5]。對雷達圖像上異常段落及數據失真段落及時重測，對有疑惑的結果判定不準確的部位，具備條件的要及時進行現場開孔驗證。只有這樣才能快速提高檢測人員識別異常雷達圖像的能力和水平，減小雷達檢測的誤差、提高檢測判定結果的精度。

6 結語

在使用地質雷達進行隧道襯砌檢測中，通過采用以上措施，基本上可以降低異常信號干擾，大幅度減小檢測誤差，提高雷達圖像的清晰度，為數據分析、缺陷判定提供準確的依據，使檢測的結果更加精確。在濟萊項目王家隧道地質雷達檢測過程中，通過多次檢測、驗證，不斷總結歸納影響檢測精度的因素、分析原因、采取措施，最終提高了地質雷達檢測隧道襯砌的精度，保障了隧道施工中質量隱患、缺陷的準確排查，提高了隧道質量缺陷整治的效率，有效地控制了隧道襯砌的施工質量。