第１期（总第２１４期） 山西交通科技 Ｎｏ．１ ２０１２年２月 ＳＨＡＮＸＩ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ｏＦ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｆｅｂ． 地质雷达在隧道检测应用中的多次反射分析 王慧鑫 （山西省交通科学研究院，山西 太原０３０００６） 摘要：在隧道施工中，通过地质雷达对隧道衬砌进行无损质量检测，可及时发现衬砌中存 在的空洞与不足，保证隧道运营的安全性，针对地质雷达数据处理中经常出现的多次反射干扰 进行了分析，从而提高地质雷达的应用准确性。 关键词：隧道；施工；地质；雷达；衬砌；检测；多次；反射 中图分类号：Ｕ４５２．１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－３５２８（２０１２）０１－００７１－０２ 在隧道施工中，由于隧道地质情况复杂，加之隧 为介电常数，由波所通过的物质决定。 道本身施工难度大的原因，隧道的初衬和围岩之间， 初衬和二衬之间容易出现空洞及厚度不足等问题。 地面 通过地质雷达检测可以对衬砌结构的厚度，结构背 后未回填的空区，复合式衬砌中两层间较大的空洞 分界面１ 进行质量检测，从而保证隧道施工质量和安全［１】。 分界面２ １工作原理 图１工作原理图 地质雷达是利用高频电磁脉冲的反射探测目标 雷达检测时，发射和接收天线与隧道衬砌表面 体及地质现象的仪器，由一体化主机、天线及相关配 密贴，沿测线滑动，将所测得每个测点的时间曲线汇 件组成。雷达工作时，向地下介质发射一定强度的高 成时间剖面图像。雷达图形常以脉冲反射波的波形 频电磁脉冲（几十兆赫兹至上千兆赫兹），电磁脉冲 形式记录。波形的正负峰分别以黑、白色表示，或者 遇到介电常数相差较大的物体分界面，如不同的岩 以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线 层分界面、岩层与空气的分界面、混凝土与空气的分 即可形象地表征出地下反射面及目标体表面同。 界面、混凝土与岩层的分界面、岩层间的裂隙等或电 导率较大的物体，如金属物、含水岩层等时会发生强 ２多次反射的原理与识别 反射。如图１所示，发射天线发射出的雷达波Ｐ１，经 ２．１多次反射原理 过反射与折射，接收天线接收到来自地面的反射波、 雷达波向介质内传播时，被称为下行波，经反射 分界面１、分界面２、及目标体的反射波Ｐ１’、折射波 回表面的波称为上形波。每一界面反射形成的上行 Ｐ１１’１和折射波Ｐ１２’２，地质雷达接收并记录这些信 波，也会遇到介质的界面，形成二次的反射与折射。 号，根据接收到的波的双程走时、幅度与波形资料来 在多层介质中，多次反射与折射波是无尽的，只是反 推断介质的结构。分界面或目标体与发射面的距离 射、折射的经历越多能量越小，如图１中的Ｐ１”、 Ｄ由公式１计算： Ｐ１…、Ｐｌ１”、Ｐ１１…、Ｐ１１…１。根据距离计算公式（１），可 Ｄ＝ｖ・△ｔ／２，［２１ （１） 知在某个时间分界面１、分界面２的二次反射波的 式中：Ｄ为天线到反射面的距离；△ 为雷达波从发 双程走时会与更深处岩层的一次反射波相同，造成 射至接收到反射波的走时，ｎｓ； 为雷达波的行走速 波形的叠加与覆盖，在雷达记录中上行到表面的反 度。 射波因为经过多次的反射叠加，内容十分丰富，对波 ｖ＝Ｃｏ／６ ， （２） 形的分析干扰比较大，在地质雷达图谱解释时需要 式中： 为雷达波在空气中的传播速度，３０ ｃｒｒｄｎｓ； 重点分析出多次反射的干扰，做出正确的判断。 收稿日期：２０１０—１０—１５：修回日期：２０１１—０８—２９ 作者简介：王慧鑫（１９８２一 ），男，山西高平人，工程师，大学本科，２００３年毕业于西南交通大学土木工程专业。 ・７２・ 山西交通科技 ２０１２年第１期 ２．２多次反射的常见种类与识别 ２．２．１钢拱架 １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ９ＯＯ １０００ １１００ １２００ １３００ 图２为某隧道初衬检测灰度图谱，图中灰色表 示初衬及初衬背后围岩介电常数相差较小，没有明 显的分界面或空洞存在。黑色表示波从介电常数小 进入介电常数大的介质，反射波振幅为负向，白色表 示波从介电常数大进入介电常数小的介质，反射波 振幅为正向。对于钢、铜等良导电媒介质，其电导率 很大，雷达波在这些物体中传播，其衰减率很大，无 法传播到下面更深的介质中，因此除地面波和钢拱 架表面为一次反射波，下面的全是钢拱架表面的多 次反射波。在传播过程中，共经历了空气、初衬混凝 土、钢拱架３种介质，其介电常数分别为１、６．４、１，所 以由空气进入混凝土，波为负向，由混凝土进人钢拱 架，波为正向，因为钢拱架是全反射，反射振幅较强， 所以图中的ａ—ｈ全为钢拱架反映，Ａ线为地面位 置，Ｂ线为钢拱架表面位置。 协 ＼ 驱 匣 譬 图３小面积空洞多次反射灰度图 有限的情况下显示为同向轴中部为水平强反射波， 两端为半支下开口抛物线，并且伴有多次反射，如图 ４所示，空洞的起始位置为白色，表示波从介电常数 大进入介电常数小的介质，反射波振幅为正向，表面 可能是大面积空洞或者是大面积埋设物，且埋设物 介电常数比岩石的介电常数要小，根据隧道实际施 工情况和设计图纸，可判断此处为大面积空洞。 ｓｕ＼ 爆匿笛 屯 ＆ 撮 ｛毫！ 们 盘 ＼ 馨 厘 譬 图４大面积有限空洞多次反射灰度图 图２钢拱架多次反射灰度图 ３结语 通过地质雷达对隧道衬砌的检测，可检验隧道 ２．２．２小范围空洞 对于范围较小的、孤立的小空洞，通常都是呈双 曲线显示，并且伴有多次反射，如图３中所示，在图 中空洞的起始位置为白色，表示波从介电常数大进 入介电常数小的介质，反射波振幅为正向，因此可判 断此３处可能为空洞，或者是岩层后是且范围 较小的埋设物，并且埋设物的介电常数比岩石的介 电常数要小，根据隧道实际施工情况和设计图纸，可 判断此３处为空洞。 ２．２．３大面积采空区 不规则岩面和初期支护之间是否存在空洞或不密 实，以及支护的厚度是否符合设计规范要求，从而可 提出施工措施或建议，使隧道衬砌的质量得到保证。 参考文献： ［１１］ 李大心．探地雷达方法与应用呻．北京：地质出版社，１９９４． ［２］王明年，杨其新．地下工程施工与管理［Ｍ】．成都：西南交 通大学出版社，２００２． 【３］陈建勋，马建泰．隧道工程试验检测技术【Ｍ］．北京：人民 交通出版社，２００５． 对于大面积的采空区或大面积的空洞，在范围 Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｒａｄａｒ ｔｏ Ｔｕｎｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｈｕｉ－ｘｉｎ （Ｓｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ ０３０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ ｍｕｈｉｐｌｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ｄａｔａ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｇｅｏｌｏｇｙ；ｒａｄａｒ；ｌｉｎｉｎｇ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｍａｎｙ ｔｉｍｅｓ；ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
