地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用研究

中圖分類號 U456 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0047-03

0 引言

隧道檢測作為確保隧道工程質量、預防安全事故的關鍵環節，一直受到工程界和學術界的高度關注。然而，傳統的隧道檢測方法，如目視檢查、鉆孔取樣等，不僅效率低下，還可能對隧道結構造成一定損傷，難以滿足現代隧道工程對檢測精度和效率的嚴格要求。文章旨在深入研究地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用，探討其工作原理、技術特點、數據處理方法及實際應用效果。通過理論分析與實例驗證相結合的方式，全面評估地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的可靠性、準確性和經濟性，以期為隧道工程的安全運營和科學管理提供有力保障。

1地質雷達無損探測技術檢測工作原理

1.1基本原理

地質雷達無損探測技術是一種基于電磁波的地下介質無損探測方法。它利用超高頻（ ）電磁波，以寬頻帶脈沖形式，通過發射天線將電磁波定向送入地下或工程實體內。這些電磁波在遇到地下介質中存在電性差異（如介電常數、電導率等）的界面時，會發生反射、透射和折射等現象。反射回的電磁波隨后被接收天線捕獲，并用于分析地下介質的分布情況。

1.2工作流程

發射電磁波：地質雷達系統通過發射天線向地下發射高頻電磁波，電磁波的頻率范圍選擇取決于具體的探測目標和地質條件，不同的地質結構或工程實體可能需要不同的天線頻率。

電磁波傳播與反射：電磁波在地下介質中傳播時，其路徑、電磁場強度及波形會隨介質的電性特征和幾何形態而變化。當電磁波遇到地下介質不均勻、介電常數有差異的界面時，會發生反射，反射波的強度與界面的電性差異成正比，電性差異越大，反射波能量也越大。

接收反射波：反射回的電磁波由與發射天線同步移動的接收天線接收，接收天線將接收到的信號傳輸給雷達主機進行處理。

信號處理與分析：雷達主機對接收到的反射波信號進行精確記錄，包括其到達時間、相位、振幅、波長等特征。通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數據加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像。對地質雷達圖像的識別和分析，可以確定地下界面的空間位置、形態及結構特征。

1.3 探測深度與分辨率

地質雷達的探測深度范圍和分辨率與所使用的天線頻率密切相關。一般來說，天線頻率越高，探測分辨率越高，但探測深度相對較淺；反之，天線頻率越低，探測深度越大，但分辨率可能有所降低。因此，在實際應用中，需要根據具體的探測目標和地質條件選擇合適的天線頻率。

2運用地質雷達無損探測技術的具體方法

2.1 儀器選擇

掃描速率是衡量地質雷達探測效率的重要指標。例如，SIR-30E新一代高速24位專業地質雷達儀的掃描速率可達到2896線/秒，這樣的高掃描速率能夠顯著提升探測效率。高分辨率的數據輸出能夠提供更精細的探測結果。SIR-30E采用32位輸出數據分辨率，增強了接收較弱信號數據的分辨能力，有助于增大探測深度和提高探測精度。每秒的采樣點數也是影響探測精度的關鍵因素。SIR-30E每秒高達16384個采樣點，這有助于提高數據分辨率和探測準確性。選擇與多種天線兼容的雷達儀能夠增加探測的靈活性和適用性，SIR-30E與GSSI廠家所有頻率的天線兼容，滿足不同探測需求。在對初期支護表面進行檢測時，通常選用頻率為 5 0 0 ～ 8 0 0 M H z 的天線[1。襯砌表面進行二次檢測時，宜采用頻率為3 0 0 M H z 左右的天線[2。隧道中傳播速度為 1 2 c m / n s 條件下，不同頻率的天線其測試深度不同，詳情見表1。

探測深度和分辨率是選擇地質雷達儀時需要重點考慮的性能指標。不同的隧道結構和地質條件可能需要不同的探測深度和分辨率。隧道檢測環境復雜多變，因此地質雷達儀的便攜性和耐用性也是不可忽視的因素。小型化、輕量化的設計便于攜帶和野外施工，同時需要具備良好的防護等級以應對惡劣的工作環境。強大的數據處理和分析能力能夠提升探測結果的準確性和可靠性。現代地質雷達儀通常配備先進的信號處理技術和圖像合成軟件，能夠實時采集、顯示和處理探測數據，形成直觀的地下斷面掃描圖像。

2.2 測線的布置

測線布置的基本原則為“縱向布線為主，環向布線為輔，關鍵位置布線”。隧道襯砌質量檢測時，應以縱向布線為主要方式，環向布線則作為輔助手段，在存在問題的地段應進行加密檢測。縱向布線的位置應覆蓋隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧底，環向布線則根據具體的檢測內容和要求來布設線距，一般情況線距為5 ～ 1 0 m 。測線布置具體見圖1。

具體布置方式可分為隧道施工過程中的質量檢測布線以及隧道竣工驗收時的質量檢測布線。施工時，縱向布線應在隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧底各布置一條測線，形成全面的縱向檢測網絡。環向布線則根據檢測需要，在存在問題的地段加密測線，線距可適當縮小。竣工驗收時縱向布線要在隧道拱頂、左右拱腰和左右邊墻各布置一條測線，對隧道主體結構進行全面檢測[3]。

測線布置的細節要求：在檢測工作開展前，應在隧道的邊墻上每隔 5 m 對隧道樁號做好標記，要求標記準確清晰，以便于測線的布置和數據的記錄。縱向布線應采用連續測量方式，掃描速度不得小于一定標準（如40道／秒），在特殊地段或條件不允許時，可采用點測方式，但測量點距不得大于一定距離（如 2 0 c m ），測線每 5 ～ 1 0 m 應有里程標記，以便于后續的數據處理和分析。在檢測中發現不合格地段時，應加密測線或測點，以進一步查明問題原因和范圍。

2.3 數據的收集

控制器通過天線向隧道襯砌發射高頻雷達脈沖信號，這些信號以電磁波的形式沿著預設的檢測線路傳播，與隧道襯砌及其背后的圍巖相互作用。雷達主機每秒可發射多達70個以上的高頻脈沖信號（具體數值可能因設備型號和設置而異），每次脈沖信號的發射能生成大約55個檢測點。這些檢測點密集地覆蓋了檢測線路，為隧道內部結構提供了詳細的圖像。隧道內壁上每隔一段距離會設置一個記號，并標注隧道的里程。這些記號作為參照點，幫助工作人員將天線裝置對準并輸入相應的信號至儀器內。當隧道內的標記與雷達記錄一致時，會進一步加大記號的間隔，以便于管理和分析。

在信號發射和接收的過程中，雷達主機實時收集反射回來的電磁波數據，這些數據包含了隧道襯砌和圍巖的反射信息，是后續分析隧道結構狀態的重要依據。數據收集環節結束后，需要對收集到的材料進行整理和分析，這包括將記錄的信號數據轉換為可視化的圖像或圖表，以便更直觀地展示隧道內部結構及其潛在問題。數據收集完成后，需將原始數據導出至計算機或其他存儲設備中，并進行整理和備份。對數據進行初步檢查，剔除無效或異常數據，準備好數據分析所需的軟件和工具，如雷達數據處理軟件、圖像處理軟件等。根據數據分析需求，對數據進行預處理，如濾波、去噪、增益調整等，以提高數據質量和分析效率。

3相關數據處理與分析

3.1 數據預處理

數據預處理是地質雷達無損探測技術數據處理流程中的首要環節，旨在通過一系列技術手段提高原始數據的質量，為后續的數據分析和解釋提供清晰、準確的數據基礎，具體步驟如下：

（1）濾波去噪：由于地質雷達在數據采集過程中會受到環境噪聲、電磁干擾等多種因素的影響，原始數據中往往包含大量的隨機噪聲和干擾信號。濾波去噪是通過應用適當的濾波器，如低通、高通、帶通或帶阻濾波器，來去除這些不需要的噪聲成分，從而提高信噪比，使有用的反射信號更加突出。

（2）增益調整：地質雷達接收到的反射信號強度可能因介質性質、距離遠近等因素而異。增益調整是根據信號的強弱，動態地調整接收機的增益，所有重要的反射信號都能以適當的幅度顯示，既不過強也不過弱，便于后續的識別和分析。

（3）時間零點校正：每個脈沖信號的起始時間（即時間零點）是確定反射信號位置的關鍵。然而，由于系統延遲、天線位置變化等因素，不同脈沖信號的時間零點可能不一致。時間零點校正是通過特定的方法（如使用直達波信號）來校準每個脈沖信號的時間零點。

3.2 數據校正與標定

數據校正與標定的主要目的是確保地質雷達收集的數據能夠準確反映隧道內部結構的實際情況，特別是在空間位置與介質性質上與實際隧道環境保持高度一致。里程標記核對涉及將地質雷達系統記錄的里程信息與隧道內部實際設置的里程標記進行逐一比對。通過精確測量和記錄，雷達數據能與隧道內壁上的對應位置相匹配，從而建立起數據與實際隧道位置之間的準確對應關系。

介電常數是影響電磁波在介質中傳播特性的關鍵參數，不同介質的介電常數不同，會直接影響地質雷達圖像的準確性。在隧道內部選取已知厚度的部位或使用雙天線直達波法等方法進行介電常數標定。通過標定，可以準確獲取隧道內各種介質的介電常數，進而在數據分析時考慮這一因素。

測線位置復核包括檢查測線是否按照預定的路線和間距布置，是否覆蓋了隧道的關鍵區域，以及測線之間是否有足夠的重疊區域。

3.3數據分析與解釋

對地質雷達記錄的時域波形進行詳細分析，時域波形直接反映了電磁波在隧道內部介質中的傳播和反射情況，通過分析波形的形狀、振幅、相位等特征，可以識別出不同介質界面（如襯砌與圍巖、不同巖層之間）的反射信號，初步了解隧道內部的結構特征。將時域波形數據轉換為地質雷達時間剖面圖或三維圖像。這些圖像能夠直觀地展示隧道內部結構的分布情況，包括各層介質的厚度、形態以及它們之間的界面等。通過圖像，可以更加清晰地觀察到隧道襯砌背后的空洞、裂縫、不密實等潛在缺陷。

在圖像生成的基礎上，進一步對圖像中的異常反射信號進行分析。這些異常信號通常表現為振幅的增強、波形的畸變等特征，它們往往與隧道襯砌背后的缺陷相關聯。通過仔細比對和識別，可以確定缺陷的類型（如空洞、裂縫等）、位置以及可能的規模。對識別出的缺陷進行量化評估。利用地質雷達數據的精確性和圖像處理的先進技術，可以測量出缺陷的大小（如面積、體積）、位置（如坐標、深度）等具體參數。這些量化數據對于評估隧道結構的穩定性和制定維修方案具有重要意義。通過量化評估，可以更加準確地了解隧道結構的實際狀況，為后續的維修和加固工作提供科學依據。

3.4 后續應用與反饋

根據檢測項目的實際應用情況，將對地質雷達的各項參數進行精細化調整，包括發射頻率、接收增益、掃描速度等，以適應不同地質條件與隧道結構特點，提高數據的采集質量與解析度。持續優化數據處理算法，引入更先進的去噪、濾波、圖像增強等技術手段，提高數據處理的自動化程度與準確性，減少人為干預帶來的誤差。

整理隧道檢測項目的典型案例，包括成功識別重大缺陷的案例、技術難題解決案例等，形成系統的案例庫，供內部培訓與對外交流使用。深入分析檢測過程中遇到的問題與挑戰，如復雜地質條件下的信號解析難題、特殊結構部位的檢測盲區等，總結經驗教訓，提出改進策略。

4結論

地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用，展現出了其獨特的優勢與顯著的應用效果。該技術通過向隧道內部發射高頻電磁波，并利用電磁波在不同介質中的傳播與反射特性，實現了對隧道襯砌、圍巖等結構的非接觸式、高精度檢測。研究結論表明：地質雷達無損探測技術能夠準確識別隧道內部的隱蔽缺陷，如空洞、裂縫、不密實區域等，并對其進行精準定位與量化評估。其高分辨率成像能力，使得檢測人員能夠直觀地了解隧道結構的實際情況，為隧道的維護管理提供了科學依據。地質雷達無損探測技術還具備檢測速度快、效率高、對隧道結構無損傷等優點。相較于傳統的檢測手段，如鉆孔取芯、超聲波檢測等，地質雷達無損探測技術能夠在不影響隧道正常運營的情況下，快速完成大面積的檢測任務，大大提高了檢測效率與安全性。

參考文獻

[1]劉遠.地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用研究[J].工程技術研究，2024（15）：75-77.

[2]余清.地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用[J]運輸經理世界，2024（14）：81-83.

[3]王智博.地質雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用研究[J].科技與企業，2015（24）：151.