地质雷达法检测隧道衬砌施工质量技术总结

一、前言

二、地质雷达法检测内容

三、铁路隧道衬砌知识和评价标准 3.1隧道衬砌设计知识

3.1.2某高铁隧道围岩类别参数表 3.1.3隧道分部工程、分项工程设计要求 3.2掘进方式和衬砌工艺对衬砌质量的影响 3.2.1隧道掘进方式

3.2.2隧道衬砌施工工艺对衬砌质量的影响 四、隧道地质雷达法现场检测 4.1检测准备 4.1.1隧道踏勘 4.1.2测线布置 4.1.3检测台车 4.2选择雷达工作参数 4.3现场检测注意要点 4.4雷达操作注意事项

4.5外界因素对雷达图像的影响 五、雷达数据处理 5.1地质雷达数据处理要点 5.1.1雷达波形特征

5.1.2雷达数据分析处理关键 5.1.3拾取反射层 5.1.4判释图像 5.1.5介电常数的确定

5.2美国劳雷SRI-3000型地质雷达数据处理 六、雷达资料解释和衬砌质量评价 6.1典型雷达图像、缺陷图像特征及分析 6.2影响雷达测试精度的因素

七、目前地质雷达法检测应用现状及存在的问题

地质雷达法检测隧道衬砌施工质量技术总结

一、前言

近年来地质雷达法广泛应用于铁路公路水电隧道衬砌施工质量检测。作为一种无损检测手段，地质雷达法可以有效评价既有隧道安全质量状况，及时发现新建隧道质量缺陷，在施工阶段对隧道施工质量进行过程控制。毫无疑问，地质雷达法在近年来铁路隧道质量控制方法发挥了极其重要的作用，尤其是在铁建设[2011]172号文发布以来，对隧道衬砌进行第三方质量检测，这对在建隧道质量控制起到了积极而有效的作用。

地质雷达法作为一种物探方法应用于质量检测上，由于人为或技术上的一些原因，此方法仍存在很多缺点和不足，有待我们共同解决。

二、地质雷达法检测内容

地质雷达法检测隧道施工质量主要有以下内容：检测隧道衬砌厚度；检测隧道衬砌内部和背后的密实和脱空程度，主要为衬砌内部混凝土密实性，二衬与初支、初支与围岩间的密实和脱空程度；初支内部钢拱架及二衬内钢筋分布等。

地质雷达法检测隧道主要为在建铁路检测和运营铁路检测，在建铁路检测主要为初支完成后的检测和二衬完成后的检测。初支完成后的检测能够有效的发现初支厚度、与围岩的密实和脱空程度，初支内钢架的分布。二衬完成后的检测能够发现衬砌的厚度、二衬内部混凝土的密实性及二衬与初支的密实和脱空程度。

三、铁路隧道衬砌知识和评价标准 3.1隧道衬砌设计知识 3.1.1隧道衬砌类型

隧道衬砌主要有整体式衬砌、喷锚衬砌以及复合式衬砌等几种。 复合式衬砌是初期支护、二次衬砌加中间的防水板组成，是新奥法的主要支护形式，外层用喷锚做初期支护，内层用模筑混凝土做二次衬砌的永久结构。复合式衬砌中喷锚支护是柔性结构，充分利用围岩的自承能力和围岩密贴，共同变形。喷锚支护作为初期支护，和二次模筑混凝土都是永久结构受力的部分，且在设计上认为，复合式衬砌中的初期支护是受力的主要部分，承担了结构受力的70%～80%。

整体式衬砌是单独的混凝土衬砌，矿山法多用此支护形式，现在多用于明

洞等衬砌。

喷锚衬砌是指以喷锚支护作永久性衬砌的通称，喷锚支护作为永久结构。 在铁路隧道设计中，围岩分为Ⅰ～Ⅵ级。根据隧道内围岩基本分级，设计上采用不同的支护方式和衬砌类型。下面将《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）、《新建时速200-250公里客运专线铁路设计暂行规定》铁建设[2005]140号、《高速铁路设计规范（试行）》TB10621-2009三本规范中隧道衬砌条文进行了摘录。

（1）《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）

第7.1.1条规定：隧道应设衬砌，并应优先采用复合式衬砌，地下水不发育的Ⅰ、Ⅱ级围岩的短隧道，可采用喷锚衬砌。

第7.1.2条规定：1.隧道应采用曲墙式衬砌，Ⅵ级围岩的衬砌应采用钢筋混凝土结构。2.因地形或地址构造等引起有明显偏压的地段，应采用偏压衬砌；Ⅴ、Ⅵ级围岩的偏压衬砌应采用钢筋混凝土结构；Ⅳ级围岩的偏压衬砌也宜采用钢筋混凝土结构。6.单线Ⅲ级以上、双线Ⅲ级及以上地段均应设置仰拱；单线Ⅲ级、双线Ⅱ级及以下地段是否设置仰拱应根据岩性、地下水情况确定；不设仰拱的地段应设底板；底板厚度不应小于30cm，并应设置钢筋，钢筋净保护层厚度不应小于30mm。

7.2.1条规定：复合式衬砌的初期支护，宜采用喷锚支护；二次衬砌宜采用模筑混凝土，二次衬砌宜为等厚截面，连接圆顺。复合式衬砌设计参数见表7.2.1-2,和7.2.1-3，喷锚式衬砌设计参数见表7.2.2。

7.2.5条规定：衬砌仰拱应具有与其使用目的相适应的强度、刚度和耐久度。仰拱厚度宜与拱、墙厚度相同。

（2）《新建时速200-250公里客运专线铁路设计暂行规定》铁建设[2005]140号

7.3.1条规定：隧道衬砌类型选择应符合下列规定：1.暗挖隧道应采用复合式衬砌；2.明挖隧道宜采用整体式衬砌；3.不应采用喷锚衬砌。

7.3.2条规定：Ⅲ～Ⅵ级围岩隧道衬砌应采用曲墙有仰拱的形式。Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道衬砌可采用曲墙设底板的形式。

7.3.3条规定：隧道衬砌内轮廓宜接近圆形，边墙与仰拱应圆顺连接。 7.3.4条规定：隧道衬砌混凝土强度等级不应低于C25，钢筋混凝土强度等

级不应低于C30。Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道衬砌底板厚度不应小于30cm，混凝土强度等级不应低于C30，并应配置双层钢筋。仰拱填充混凝土强度等级不应低于C20，仰拱与仰拱填充混凝土应分开施工。

（3）《高速铁路设计规范（试行）》TB10621-2009

8.3.1条规定：暗挖隧道应采用复合式衬砌、明挖隧道应采用整体式衬砌。 8.3.3条规定：Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道衬砌宜采用曲墙带底板的结构形式，Ⅲ～Ⅵ级围岩隧道衬砌应采用曲墙有仰拱的结构形式。

8.3.4条规定：隧道衬砌内轮廓宜采用圆形断面，单线隧道可采用三心圆断面，边墙和仰拱应圆顺连接。

8.3.5条规定：隧道衬砌混凝土强度等级不应低于C30，钢筋混凝土强度等级不应低于C35，Ⅰ、Ⅱ级围岩隧道衬砌底板厚度不应小于30cm，混凝土强度等级不应低于C35，并应配置双层钢筋，仰拱填充混凝土强度等级不应低于C20。

8.3.6条规定：隧道二次衬砌Ⅳ～Ⅵ级围岩地段宜采用钢筋混凝土；Ⅰ～Ⅲ级围岩地段宜采用混凝土，并可掺加一定比例的纤维。

3.1.2某高铁隧道围岩类别参数表

表3-1 隧道围岩类别参数表

拱墙初支厚度（cm） 5 12 25(仰拱10) 25(仰拱15) 28 5 12 25 / / / / / 初支强度 C25 C25 C25 C25 C25 C25 C25 C25 / / / / / 初支拱架型号及间距（cm） / / 格栅/100 Ⅰ18/80 Ⅰ20/60 / / Ⅰ18/80 / / / / / 二衬厚二衬二衬钢筋型号及间距（cm） / / / Φ20/20 Φ22/20 / / Φ20/40 Φ22/20 Φ25/15 Φ25/20 Φ22/20 Φ22/20 仰拱(底板）厚度（cm） 30(底板） C35(底板） 50 50 50 60 C30 C30 C35 C35 仰拱强度 仰拱钢筋型号及间距（cm） Φ14/20 / / Φ20/20 Φ22/20 Φ14/20 / Φ22/40 Φ22/20 Φ25/15 Φ25/20 Φ22/20 Φ22/20 填充厚度(距隧道中心1.5m处)(cm) 围岩类别 填充强度 / C20 C20 C20 C20 / C20 C20 C20 C20 C20 C20 C20 度（cm） 强度 35 40 40 40 50 35 40 55 80 85 80 70 70 C30 C30 C30 C35 C35 C30 C30 C35 C35 C35 C35 C35 C35 Ⅱ级围岩复合式衬砌 Ⅲ级围岩复合式衬砌 Ⅳ级围岩复合式衬砌 Ⅳ级围岩加强复合式衬砌 Ⅴ级围岩加强复合式衬砌 Ⅱ级围岩下锚段复合式衬砌 Ⅲ级围岩下锚段复合式衬砌 Ⅳ级围岩下锚段复合式衬砌 路堑式明洞衬砌 单压式明洞衬砌 偏压式洞门 帽檐斜切式洞门 帽檐式缓冲结构洞门 / 1.18 1.18 1.18 1.18 / 1.18 1.18 1.18 1.18 1.18 1.18 1.18 30(底板） C35(底板） 50 55 80 85 80 70 70 C30 C35 C35 C35 C35 C35 C35

3.1.3隧道分部工程、分项工程设计要求

在隧道分部工程、分项工程设计要求中，对隧道的开挖、支护和衬砌有明确的要求，严格控制了超挖、欠挖的尺寸和面积，以及出现问题的处理办法。表3-2列出了与隧道衬砌检测有关的几项内容（依据高铁隧道验标）。

表3-2隧道分部工程、分项工程设计要求

分部工程 洞口工程 分项工程 1.开挖 设计要求 开挖范围及尺寸，（端墙、翼墙、挡土墙）基底地基承载力 洞身开挖 隧道开挖断面净空必须符合设计要求。 21.洞身开挖 隧道开挖应严格控制超欠挖，石质坚硬岩石个别突出部分（每1m不大于20.1m）侵入衬砌应小于5cm，拱脚和墙角以上1m内断面严禁欠挖。 2.隧底开挖 1.喷射混凝土 2.锚杆 隧底开挖轮廓和底部高程应符合设计要求。石质坚硬岩石个别突出部分（每1m2不大于0.1m2）侵入二衬应小于5cm。 喷射混凝土强度必须符合设计要求。 混凝土的厚度应符合下列要求：检查点数的90%及以上应大于设计厚度。 锚杆规格、安装数量、锚杆孔灌注效果满足设计要求。 规格、数量、结构尺寸达到设计要求。 规格、数量、结构尺寸达到设计要求。 钢架安装不得侵入二次衬砌断面，相邻钢架及各节钢架间的连接应符合设计要求。 初期支护、防水板、二次衬砌之间应相互密贴，防水板与二次衬砌之间空隙应通过预留孔回填注浆。 规格、数量达到设计要求。 混凝土强度等级必须满足设计要求。 隧道衬砌厚度严禁小于设计厚度。二衬混凝土与防水板之间应密贴无空洞。 隧道超挖回填必须符合设计要求。超挖部分应采用同级混凝土回填。 回填注浆应保证回填密实。 底板厚度应符合设计要求。施作底板混凝土前应清除隧底虚碴、杂物和积水，当底板有超挖时，超挖部分必须按设计要求及时回填。 仰拱填充混凝土不得与仰拱混凝土同时浇筑，仰拱填充混凝土浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水。 支护 3.钢筋网 4.钢架 一般规定 1.钢筋 2.混凝土 衬砌 3.回填注浆 4.板底 5.仰拱 3.2掘进方式和衬砌工艺对衬砌质量的影响 3.2.1隧道掘进方式

隧道掘进方式一般有整体掘进（TBM隧道掘进机）和钻爆法掘进，铁路隧

道最常用的掘进方式是钻爆法。

钻爆法掘进采取分部开挖方式，分台阶或全断面开挖，掘进过程中采用爆破施工，通过光面爆破控制洞身尺寸。

光面爆破（简称光爆）是现阶段铁路隧道广泛采用的开挖方式。先爆除主体开挖部分的岩体，然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包，将光爆层炸除，形成一个平整的开挖面，通过岩壁上的炮孔痕迹率（也称半孔率）和围岩壁面不平整度（也称起伏差，允许值±15cm）来评价其质量控制效果。

图3-1是光爆质量好的一个隧道段落，照片中炮孔半孔率高，壁面平整，没有超挖、欠挖现象，隧道洞身尺寸规则。

如果炸药量和孔位控制不好，光爆效果差，超挖、欠挖现象频繁出现，会造成隧道断面出现锯齿状的起伏，需要在初期支护时采用同级喷射混凝土喷平。

图3-1 光爆效果好的隧道

3.2.2隧道衬砌施工工艺对衬砌质量的影响

目前，常见的衬砌台车有拼装模板台车和整体模板台车。

拼装模板台车：一般用于长度小于1000m的隧道。拼装模板台车长7.2m，模板尺寸1.2m×0.3m，采用人工输送混凝土或泵送混凝土方式，先墙后拱，边

衬砌边振捣，一般30cm振捣一次。振捣质量靠人为控制，容易造成脱空。由于短小隧道围岩级别相对较差，加之施工时间短造成光爆经验欠缺，隧道的光爆效果一般难以控制，容易出现超挖、欠挖现象。

图3-2 拼装模板台车

整体模板台车：一般用于长度超过1000m的隧道。整体模板台车长9m或者12m，衬砌采用高压泵输送混凝土方式，先墙后拱，分层振捣，一般每50cm振捣一次，在边墙、拱脚和拱顶设置振捣孔。由于台车本身有自振系统，衬砌混凝土能够振捣密实，只是在拱顶部位由于混凝土收缩拱顶容易出现脱空，但空隙一般较小。

图3-3 整体模板台车

四、隧道地质雷达法现场检测 4.1检测准备 4.1.1隧道踏勘

4.1.1检测前需要对隧道进行踏勘，了解工作条件，保障检测工作能够得以顺利进行。

4.1.2了解隧道高度，运营线路量测隧道拱顶到轨面的高度，新建线路量测遂道拱顶到隧底的高度，为搭建检测台车提供尺寸数据。

4.1.3用明显标记，按照5m点距在边墙上标明隧道里程或洞身标。 4.1.4搜集衬砌设计资料和竣工资料，了解施工过程中出现的灾害地质情况和处理方法，并记录其准确位置。

4.1.5记录隧道中避车洞、下锚段、电缆位置，统计隧底积水段落，对衬砌表面潮湿或有凝结水珠的部位进行统计，记录已发病害的位置和类型。

4.1.6制定对可能影响到检测台车行进的障碍物的处理办法。 4.1.7查明附近是否有对雷达产生影响的电磁干扰源。 4.1.8运营隧道检测需要明确天窗时间。

4.1.2测线布置

在建隧道检测应以纵向布线为主，横向布线为辅。纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰和左右边墙各布置1条测线，隧底布置2条测线。横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距8-12m。采用点测时每断面不少于6点。检测中发现不合格地段应加密测线或测点。

隧道竣工验收和运营隧道检测应纵向布线，必要时可横向布线。纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰和左右边墙各布置1条测线。横向布线线距8-12m。采用点测时每断面不少于5个点。需确定回填空洞规模和范围时，应加密测线或测点。

三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。

一般拱腰测线在拱脚上方0.5m-1.0m位置，边墙测线在边沟盖板上方1.5m-2.0m位置，拱顶测线布置在中线两侧0.5m以内，仰拱测线布置在中线两侧各1.0-1.5以内。

纵向测线布置情况见图4-1。

拱顶 左拱腰 右拱腰 左边墙 隧底 右边墙 图4-1 雷达检测测线布置示意图 4.1.3检测台车

根据测线位置，确定检测平台高度，一般上层平台离拱顶1.8m-2.0m，中间平台与拱脚等高，平台整体不能侵限。同时，台车要求运行平稳，台架稳固，现场检测时台车以小于5公里/小时的车速进行检测。

图4-2、4-3、4-4是新建铁路隧道检测时搭建的检测台车。图4-5为5组

天线同时工作的检测台车。图4-6为运营隧道或隧道竣工验收时利用工程检修车作为检测台车。

图4-2 装载机搭建的检测台车

图4-3 货运车搭建的检测台车

图4-4 公路用路灯检修车作为检测台车

图4-5 五组天线同时工作的检测台车

4-6 运营隧道利用工程检修车作为检测台车

4.2选择雷达工作参数

进行现场数据采集时，需将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴，沿侧线滑动，由雷达主机高速发射电磁波脉冲，进行快速连续采集。雷达时间剖面上的各测点的位置要和隧道里程相联系。

4.2.1工作参数选择

测量参数选择合适与否关系到数据采集质量的好坏。测量参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距、距离校准方式以及发射、接收天线间距（对不屏蔽天线而言）等。

（1）天线中心频率

天线中心频率选择需兼顾目标体最小尺寸和天线尺寸是否符合场所需要。在满足分辨率和场所条件又许可时，应该尽量使用中心频率低的天线。如果探测深度小于目标深度，需降低频率以获得适宜的探测深度。

衬砌检测中，由于隧道内存在台车、机械等铁磁性物品，需要采用屏蔽天线。一般来讲，衬砌厚度小于30cm时采用900MHz天线，衬砌厚度30cm-70cm

时采用400MHz或500MHz天线，衬砌厚度大于70cm是要考虑选用250MHz或更低频率的天线。

（2）时窗（记录长度）

时窗选择主要取决于最大探测深度d（单位：cm）与混凝土的电磁波速度V(单位：cm/ns)。时窗W（单位：ns）可由下式结算：

W=2d/V

实际工作中，时窗的选用值要增加50%，做为混凝土速度与目的层深度变化所留出的余量，一般将主要目的层的反射相位放在图像上方三分之一的部位。

确定时窗后，根据时窗大小调节采样率（或采样间隔）和采样点数。 （3）采样率、采样频率和采样点数

采样率是记录的反射波采样点之间的时间间隔。采样抽取的原则应满足尼奎斯特（Nyquist）采样定律，即采样频率应大于信号频率的两倍（fs≥2fa）。

以混凝土为例，假定电磁波速度12cm/ns,如果存在纵向6cm空隙，那么信号频率2GHz，要求采样频率大于（或等于）4GHz，此时的采样率应小于（或等于）0.25ns。如果时间窗口为100ns，那么采样点数应不小于400点。

（4）测点点距

测点点距根据需要解决的地质问题决定，一般每个异常体必须有5条以上的扫描通道过。

考虑到解决问题的精度，隧道衬砌检测中，采用400MHz屏蔽天线时，一般两个扫描线

之间距离为3-6cm时，在雷达记录上横向尺寸20cm缺陷肉眼可以识别，过大或过小都影响记录面貌。

（5）距离记录方式

隧道检测一般采用时间记录方式，手动打标记，在检测运营隧道时，可以结合测量轮进行距离校准。不论采用什么记录方式，都要求5m做一个标记，并每隔50m或100m进行一个距离校准。

（6）天线发射、接收间距选择（对不屏蔽天线而言）

当使用分离式发射，接收天线时，适当选取发射天线与接收天线之间的距离，可使来自

目标体的回波信号增强。对于偶极天线，接收方向增益在临界角方向最强，因此天线间距的选择应使最深目标体相对接收天线与发射天线的张角为临界角的2倍。

4.3现场检测注意要点

仪器参数确定后，就可以开始检测工作。检测过程中，必须注意一下几点，以保证检测数据的合理性和真实性：

4.3.1密切注意雷达图像的变化，对图像异常段做好记录，必要时进行复检。

4.3.2控制天线耦合情况，保证天线密贴检测面，减少晃动。

4.3.3保证检测车平稳匀速直线行进，中间尽量减少停顿，并记录停顿位置。图4-6是检测运营隧道拱腰部位时，利用三个人扶持天线，保证天线处于正常的行进工作状态。

图4-6 利用三人扶持天线进行检测

4.3.4天线的取向

天线的取向要保证电场极化方向平行于目标体的长轴或走向方向（天线上已经用箭头标出）。此处在检测中应尤其注意。

4.4雷达操作注意事项（SIR-3000 型雷达） 4.4.1整套雷达仪器系统应注意防水防尘防震。

4.4.2更换设备部件（如电缆、天线、打标器、测距轮等等）要求无电操

作。先连接系统各个部件，主机+电缆+天线+标记杆+测距轮，再接通电源开机；先关机再拆设备附件。

4.4.3发现仪器信号不好或怀疑仪器工作不正常，先关闭主机电源再检查电缆两端接头（电缆与主机的接头、电缆与天线的接头是否连接正确），检查完毕确认无误再接通电源开机。

4.4.4 SIR-3000仪器电板装入后，仪器即处于待机或工作状态（新SIR-3000开机时需按一下电源键），因此仪器如长时间（一周）不用或处于运输过程中，应把仪器电池取出。

4.4.5电池充电时要求220V交流稳压电源，详见《电池使用注意事项》，保护充电器和电池电瓶。电池或者电瓶，要做定期维护。建议每个月做充电放电。

4.4.6电缆线应绕圈收放，不能折叠。

4.4.7在工地现场注意保护仪器，避免人为损坏。电缆线应避免长期在地面磨损。

4.4.8雷达电缆为同轴电缆，不能被重车压。电缆不能受到重物压损，如发生意外，首先观察外表有无破损，再用万用表进行测量。

4.4.9电缆连接防止虚接。联机时注意电缆接口方向，电缆接头应与面板垂直，拧紧，与主机端旋转至红线处。天线端旋转至三个小卡槽露出，同时注意固定电缆。电缆与天线应用环行扣连接。

4.4.10仪器使用、搬运转移过程中，主机与天线注意防震。避免设备内部部件接触不良。仪器主机要装箱运输。

4.4.11天线系统应该轻拿轻放，或者测试过程中，防止长时间剧烈震荡破坏天线系统。

4.4.12 100M天线的长轴方向与电缆线垂直，成90度角。电缆不能与天线平行，不能在天线上面过，也不在天线下面过。主机系统放置在3-5米范围意外。电缆不能绕圈，防止线圈产生交变电磁场干扰。

4.4.13整套雷达系统应尽量远离高压线缆，防止强电磁干扰对仪器系统造成损伤。

4.4.14测试中遇到照明电缆，要远离照明电缆。建议关闭照明电以后再进行雷达测试。

4.4.15避免雨天操作。工区有水的情况下，天线、电缆接头要做防水处理，利用防水布保护天线。100兆天线尤其要做防水处理。用防水布保护。在南方潮湿地区操作，测量完毕后，在室内应对仪器主机进行通电加热除湿。

4.4.16整套仪器系统保持整洁干净。使用完毕清除仪器表面附着的灰尘泥土。

4.5外界因素对雷达图像的影响

检测过程中，需要密切注意周围环境，对可能影响雷达检测的外部因素进行详细记录，以便在资料处理时有目的地排除外部影响，降低误判几率。

4.5.1大型机械设备和避车洞、下锚段的影响

大型机械设备为铁磁性介质，避车洞、下锚段处由于高度变化，天线离开混凝土表面，中间存在空气介质，铁磁性介质和空气介质相对于混凝土来说，介电常数差异很大，因此随着天线向它们靠近，雷达图像中会出现斜向波组，并且能量越来越强。

图4-7是通过避车洞时的一幅雷达图像，避车洞两侧洞壁形成交叉波组。

图4-7 通过避车洞时的雷达图像

4.5.2天线的行进方向和耦合状态

检测过程中，要求行稳，直线前进，但在实际工作中，由于车辆颠簸，很难做到天线直线行进，加之受摩擦力的作用，天线又常常倾斜，行进中常常出现如图4-8和图4-9的情况。

图4-8 天线行进过程中发生摆动

图4-9 天线倾斜行进

天线曲线前进，相当于加大了测点点距，测点里程难以与实际里程对应，会给资料解释带来误差。天线倾斜时，由于没有完全密贴混凝土表面，会使雷达图像出现干扰。

图4-10是天线倾斜时的雷达图像。天线倾斜时形成强烈的多次反射波，反射波的能量随时间增长而增大，如果连续时间过长，资料将无法进行分析，必须进行复测。

图4-10 天线倾斜时的雷达图像

4.5.3外界电磁干扰

外界电磁干扰包括机械启动、对讲机通话等，图4-11是对讲机的电磁干扰，

大型机械启动时的干扰特征与此相似。

图4-11 对讲机对雷达信号的干扰

4.5.4水的影响

隧道内部由于通风不畅，潮湿的空气常常在洞壁凝结成大量水珠，这种条件下进行检测，相当于在天线和混凝土之间多了一层耦合剂。由于水的介电常数远远大于空气和混凝土，致使采集信号初至时间增加，如果对这段衬砌的检测条件没有进行记录，分析过程中常常增大混凝土的厚度。

五、雷达数据处理 5.1地质雷达数据处理要点 5.1.1雷达波形特征

图4-12为隧道衬砌与结构层位雷达反射波相特征图

图4-12 隧道衬砌与结构层位雷达反射波相特征图

5.1.2雷达数据分析处理关键

雷达资料的解释过程就是通过对雷达剖面的分析解析，择取有用的地质信息。

数据处理的目的一是抑制随机的和有规律的干扰，最大限度的提高雷达图像剖面上的分辨能力，通过提取电磁回波的各种有用参数，来解释不同介质的物理特征。如基于不同频率的各种反褶积技术，确定性反演滤波、递归滤波、最小平方滤波和子波处理等。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向对的反射迭加产生的空间畸变，如偏移处理等。

数字分析处理是雷达剖面图像解译的关键步骤。

根据数据检测的目的，选择合理的数字处理方法，突出目的层。常用处理方法一般有静校正、去直流、道平衡、道间平滑、反褶积、增益调节以及插值等，目的在于以下几个方面：

（1）取多次重复测量平均以抑制随机噪声；

（2）取邻近不同位置的多次测量平均以压低非目的体杂乱回波，改善背景； （3）自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波；

（4）滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体，降低背景噪声和余振影响；

（5）时域的一维、二维空间滤波等等。 5.1.3拾取反射层

地质雷达资料的地质解释就是通过对波形进行处理，拾取反射层，识别各地质结构层的反射波组特征，主要判断依据如下。

（1）反射波组的相同性

只要地下介质中存在电性差异，就可以在雷达影响剖面中找到相应的反射波与之对应，同一个波组的相位特征，即波峰、波谷的位置沿测线基本上不变化或以缓慢的视速度传播，因此同一个反射体往往有一组光滑平行的同相轴与之对应。

（2）反射波形的相似性

相邻记录道上同一反射波组形态的主要特征保持不变。 （3）反射波组形态特征

同一底层反射波组的波形、波幅、周期（频率）及其包络线形态等有一定特征，不同地层的反射波组形态将有差异。

（4）地下介质电性及几何形态决定波组的形态特征

确定具有一定形态特征的反射波组是反射层识别的基础，而反射波组的同相性和相似性为反射层的追踪提供了依据。

地质雷达工作频率高，在地质介质中以位移电流为主。因此，高频宽频带电磁波传播过程中很少频散，速度基本上有介质的介电性质决定。电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多相似之处，两者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。雷达波与地震波在运行学上的相似性，可以在资料处理中加以利用。

5.1.4判释图像

根据反射层建立检测目标体的结构模型，判定目标体的性质，定量计算目标体的规模。解释过程中，需要将时间剖面进行“时深转换”，形成深度剖面。要得到探测物体的深度，必须知道电磁波在介质中的传播速度。

5.1.5电磁波在介质中的传播速度的确定

确定电磁波在介质中的传播速度的有以下几种方法： （1）直接测量介质介电特性，并计算速度（不常用）。 （2）用单稳态天线来测量、计算。

（3）用双稳态天线来测量、计算（CDP法）。

（4）根据已知点的深度计算速度：在剖面上确定一点，采取开挖、钻孔的方法或根据已知资料确定该点被探测目标体的深度（或厚度），然后用公式计算出速度。

在隧道检测中常用第4种方法，尤其是目前较多隧道在地质雷达检测的同时，对衬砌混凝土进行钻芯法强度检测，我们可以利用芯样中钢筋的位置或芯样的长度（钻芯至防水板）来计算波速。

5.2美国劳雷SRI-3000型地质雷达数据处理

此处引用文件：

地质雷达3000资料处理步骤cn1.doc。

六、雷达资料解释和衬砌质量评价

6.1典型雷达图像、缺陷图像特征及分析

从地质雷达检测评价的角度来看，隧道衬砌质量合格的标准包括开挖断面达到设计要求，初期支护数量达到设计标准，围岩、初喷混凝土、二衬混凝土间结合紧密等几项内容，如果达到上述标准，由于二衬混凝土、初支混凝土和围岩的电特性相似，介电常数接近，雷达图像是难以分辨出衬砌界面的，但此时往往钢筋钢架图像较易分辨。在实际检测中，大部分隧道衬砌质量不能全满足上述合格标准，缺陷类型多种多样，产生的雷达图像也是千差万别。

6.1.1图6-1是某隧道的一段衬砌质量合格的雷达图像，光爆效果好，没有超挖和欠挖，100cm间距的格栅间距满足要求，初支、防水板和二衬之间密贴，无空隙。

图6-1 衬砌质量较好的雷达图像

6.1.2衬砌不密实或空洞的图像特征

（1）光爆效果不好或防水板悬挂不当造成的空洞

光面爆破控制不好，超挖、欠挖现象频繁出现，造成隧道断面出现锯齿状的起伏，如防水饭悬挂过紧或过松都会造成背后脱空，并且空洞出现的频率与光爆质量密切相关。图6-2是防水板上部脱空的雷达图像，图像中空洞规模大且连续。

图6-2 雷达空洞图像

（2）混凝土浇筑施工过程形成的空洞

①采用人工输送混凝土时，由于人为失误造成混凝土输送量不足，导致混凝土未注满模板，衬砌中形成空洞。空洞一般表现出连续性，且横向或纵向尺寸较大。图6-3是某隧道该里程段拱顶3条不同测线检测出的衬砌中的空洞，二衬

混凝土设计厚度40cm，实测最厚处混凝土厚度55cm，最薄处混凝土厚度约5cm，空洞纵向尺寸达到3.6m，横向尺寸至少为3.0m。检测时敲击混凝土表面，呈空洞声音。

②挡头模板位置处的空洞。在泵送混凝土衬砌时，两个衬砌循环的衬砌连接处，后一循环的挡头模板位置形成空洞，图6-4是空洞形成的示意图，其雷达图像如图6.6，清晰的反映了分界处两侧的衬砌状态。

图6-4 空洞形成示意图

图6-5 挡头模板处的空洞雷达图像

6.1.3衬砌厚度不足的图像特征

图6-6为由于欠挖造成的衬砌厚度不足雷达图像。设计衬砌厚度40cm，检测最薄处混凝土18cm，平均厚度34cm。

图6-6 衬砌厚度不足雷达图像

隧道欠挖属于工程质量通病，应该在二衬施工之前进行处理，二衬结束后，欠挖缺陷只能采取破坏手段进行修复，如果保留，容易发生衬砌开裂病害。图6-7是某运营铁路由于隧道欠挖造成衬砌开裂的图片，该段衬砌设计厚度30cm，实际厚度8cm。

图6-7 欠挖缺陷发展到衬砌开裂，形成病害

6.1.4隧底检测情况

（1）仰拱中存在的不密实情况

图6-8为仰拱中存在不密实情况的雷达图像。

图6-8 仰拱中存在不密实情况的雷达图像

（2）底板无钢筋或钢筋间距偏大

图6-9为底板中钢筋间距偏大雷达图像，设计底板厚度30cm，钢筋间距为20cm，实测最大钢筋间距45cm，最小钢筋间距30cm（实测钢筋间距为5m平均值）。

图6-9 底板中钢筋间距偏大雷达图像

6.2影响雷达测试精度的因素

地质雷达是依据发射和接收宽频带、短脉冲的电磁波来进行检测，其精度的影响因素主要表现在一下几个方面。

6.2.1高频特性

雷达发射电磁波的主频越高，其波长越短，因此它的空间分辨率越高。列如：采用500MH主频的天线进行探测，如果电磁波在某介质中的传播速度为10cm/ns，其波长为20cm，若取波长的八分之一作为其分辨率，那么从理论上说主频500MHz电磁波的分辨率为2.5cm。同样如果采用1000MHz主频的天线进行

探测，它的理论分辨率可以达到1.25cm。

6.2.2宽频特性

雷达发射电磁波的主频越宽，它的空间分辨率越高。在实际工作中，希望在空间域和时间域上，能够发射和接收单一脉冲的电磁波信号，从信号分析的理论可以知道，频率越宽，相应的空间和时间域上的信号越窄，越窄的信号具有越强的空间和时间上的分辨率。单一频率信号在空间和时间上表现为一种该频率的正旋或余旋等振幅的振荡信号，其在空间和时间上的分辨率几乎为零。

6.2.3雷达测试的干扰因素

从上面分析可以知道，电磁波在介质中传播呈指数规律衰减。因此，电磁波在介质中传播时，能量损耗很大。尤其深部反射的有效信号微弱，微弱的信号极易受到干扰信号的影响。

雷达设备接收到的干扰信号主要有仪器内部干扰和外界干扰两种。 仪器内部干扰主要表现为天线盒震荡信号干扰、天线控制电路之间干扰、发射与接收天线的直接耦合干扰等。

仪器内部干扰相对稳定，但是当气候发生变化时，其内部干扰也会产生不稳定的变化。首先主要表现为天线与发射器、接收器的阻抗的不匹配，在此进行能量的反射，这种能量的发射不仅减小了天线的发射功率，同时在此产生的振荡信号对有效波也是一种很大的干扰。其次表现为天线尾部端的反射振荡干扰。

仪器的外界干扰主要有电线杆与电缆线干扰、通讯设施、人型机械设备启动干扰、天线在测量过程中的抖动干扰等等。

6.2.4能量衰退

电磁波在介质中的传播过程是极其复杂的。这种高频、宽频信号在介质中的传播史一种有损耗的传播过程，它的反射、透射等现象不仅与介质的导电率有关、还和介质的介电常数相关。

从电磁场理论可以知道，当电磁波在无限线性变化的导电介质中传播时，在电磁场的作用下，使导电介质中的自由电荷作宏观移动，激起传导电流，必然有一部分电磁能转换为焦耳热能，还与电磁波的频率有密切关系。损耗使电磁场随传播距离衰减，使得离探测点远的目标引起的散射场很小，所以远处目标体散射的细节信息损失较大，这就影响了对细节的分辨效果。

6.2.5合成波速度带来的误差

高频。宽频信号在导电介质传播过程中存在频散现象，即不同频率成分的波，其传播速度不一样，因此深部的雷达反射信号不能凭借单一的频率信号进行描述，必须用合成波波速度来描述，单这样做必然影响深部距离的判别精度。

七、目前地质雷达法检测应用现状及存在的问题

地质雷达法可以对隧道衬砌混凝土厚度、密实性、脱空、钢筋钢架等进行快速检测，使隧道缺陷和病害能够提前发现并得到治理。它不仅克服了传统上以点盖面的只靠目测和打孔抽查来对隧道质量进行不全面检测的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率、能快速、高效的进行无损检测的方法。虽然地质雷达法在隧道工程质量检测中得到了广泛的应用，并起到了积极的作用，但地质雷达法作为一种无损检测方法，仍存在一些缺点和不足。

7.1地质雷达本身存在的问题

地质雷达法是一种物探手段，是间接的对隧道衬砌进行检测，因此地质雷达本身就显得尤为重要，目前地质雷达存在以下一些问题：

7.1.1雷达天线高频特性能较好，低频性能差一些；

7.1.2发射功率较小，探测深度不足，尤为表现在对仰拱的检测中； 7.1.3雷达系统本身噪音较大，影响探测能力；

7.1.4有些雷达整体性差，接线太多，有的雷达采用笔记本作为记录器，现场检测不方便；雷达处理软件发展落后于硬件，对于缺陷的准确定位、标准图谱库的建立、检测结果的快速及可视化等有待进一步得到解决。

7.1.5雷达检测易受到外界的干扰，如大型机械设备、隧道电缆线、通讯设备、衬砌表面以及隧道空气中水分等。对于这些干扰，目前研究的不多，较难从有效信号中分离，这给检测数据的判释带来了一定的不确定性。

7.2检测技术人员存在的问题

目前铁路检测行业检测技术人员素质良莠不齐，尤其是隧道检测人员，很多检测人员缺乏专业的技术培训和考核，对地质雷达检测认识不够深入，尤为严重的是对于检测数据的处理和分析，不同技术人员往往有不同的见解，这给地质雷达检测带来了很大的不确定性。

7.3地质雷达法在铁路建设应用中存在的问题

7.3.1广泛应用，但不是万能灵药

目前各在建铁路均采用了地质雷达进行隧道衬砌检测，但在采用的同时有过于依靠无损检测手段而忽视破损检测的现象。在检测中应当以地质雷达法为主，辅助采用其他检测手段，如目测、钻孔检验、采用钢筋检测仪等。

7.3.2相关规范、技术标准的滞后

利用地质雷达法检测隧道衬砌质量，起始于上世界90年代末，近年来大量的运用于隧道检测中，但目前仅铁路行业推出的《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》(TB10223-2004)对地质雷达法检测做了相应的规定，这远远赶不上地质雷达法检测应用的发展。

7.3.3检测中不确定因素的影响

地质雷达法检测隧道衬砌，在检测中存在较多的不确定因素，主要有： a.电磁波波速标定：依据规程每座隧道电磁波波速标定不少于1处，当隧道长度大于3km、衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数。我们知道混凝土材料的不同，龄期的不同，含水量的不同，对电磁波波速影响较大，因此在实际检测中，电磁波波速的标定远不能满足要求，造成衬砌厚度或空洞深度的判释存在较大的误差。

b.测线的不确定性：地质雷达检测是一种以线代面的检测，在某种程度来说仍是一种抽检，因此测线如何布置布置在哪里就尤为重要。虽然规范规定了隧道检测纵向布线的位置和数量，但是由于检测时检测台车和检测人员的因素影响，无法保证同一测线总是在同一位置。这给衬砌厚度、衬砌空洞及脱空程度检测带来了不确定性。

c.检测台车和检测人员的不确定因素

目前行业内检测台车大多采用在汽车、装载机等上焊接钢管架结构、采用路灯检修车或采用可升降的支架等，此类方法均存在一定的安全隐患，且由于隧道内部路面不平整，高低起伏，检测台架在行走过程中容易晃动，且检测台车宜受到隧道内摆放的各种设备和机械的阻碍。雷达天线主要依靠人工将其与衬砌表面密贴，由于检测台车的晃动、人员无法长时间用力等原因，造成雷达天线不能一直有效的与衬砌表面密贴。

7.3.4检测市场的不规范

随着铁路建设的发展，越来越多的检测单位、检测人员参与到隧道衬砌质量检测中，检测行业竞争越来越激烈，检测单价低，检测人员素质良莠不齐，因此有必要对隧道检测市场进行规范，引导其良性发展。