地质雷达在铁路隧道检测中的应用
中图分类号： 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）02-
随着国家铁路交通的不断发展，隧道的数量也在逐年增加，同时在运营过程中暴露出来的隧道病害也在连连告急。这就需要一种高效的能够对隧道衬砌质量进行全面快速的检测方法来适应这种发展，使隧道病害能够提前得到治理。地质雷达检测方法可以对隧道衬砌混凝土厚度、密实性、脱空等进行快速检测，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，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，在隧道检测中得到广泛的应用。
1.地质雷达原理
地质雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式， 由地表通过发射天线向地层发射电磁波， 当电磁波在介质中传播时， 遇到具有电性、物性差异的介质（如空洞、分界面等） 时便会形成反射界面而发生反射， 电磁波反射回地面由接收天线接收， 根据电磁波的传播时间、波形特征可以确定地层中介质（目标体） 的空间位置、几何形态等。
电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。
图1中T为发射天线，R为接收天线，电磁波在地下介质中遇到目标体和分界面时发生反射，信号返回地面由天线R接收并记录，通过主机的回放处理，就可以得到雷达记录的回波曲线（如图2所示）。
当地下介质中的波速v（m/ns）为已知时 可根据精确测得的走时t（单位为ns ），可求出反射物的深度（m）。
式中：v为地下介质中的电磁波速； 为介质的相对介电常数；c为光速3*108m/s。
2.数据处理和解释
探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探测雷达剖面图。地质雷达探测资料的解释包括两部分内容，一为数据处理，二为图象解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像。对于异常的识别应结合已知到未知，从而为识别现场探测中遇到的有限目的体引起的异常，以及对各类图像进行解释提供了依据。
图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。
图像解释是识别异常，这是一个经验积累的过程，一方面基于地质雷达图像的正演结果，另一方面由于工程实践成果获得。只有获得高质量的地质雷达图像并能正确的判别异常才能获得可靠、准确的地质解释结果。
识别干扰波及目标体的地质雷达图象特征是进行地质雷达图像解释的核心内容。地质雷达在地质和地表条件理想的情况下，可得清晰、易于解释的雷达记录，但在条件不好的情况下，地质雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号。产生干扰信号的的原因很多，隧道常见的干扰有电缆、衬砌表面金属物体、天线耦合不好，地下异常的多次波等，干扰波一般都有特殊形状，易于辨别和确认。
3.介质参数计算
为了准确得到衬砌介质的介电常数和电磁波速，需要在地质雷达检测的测线上，用钻机在混凝土上钻透衬砌混凝土，然后再用尺子测出混凝土衬砌的实际厚度（d），从地质雷达图像上读出钻取位置处衬砌混凝土反射层面的双层走时，再根据以下计算公式计算出衬砌实际的介电常数和电磁波速。
1）介电常数计算公式： （3）
2）电磁波速计算公式： （4）
：相对介电常数； ：电磁波速度（m/s）； ：双程旅行时间（ns）； ：标定目标体厚度或距离（m）
4.应用检测实例
质量良好的衬砌混凝土密实、分布均匀、无脱空，除衬砌与围岩之间存在介电常数差异外， 其它介质介电常数变化较小，反射面不明显。雷达探测图上波形平缓、规则、无杂乱反射。
RAMAC地质雷达在衬砌无损检测中得到了广泛的应用，天线频率拱顶采用800M，采样时窗32ns，采样点400，叠加次数8。天线紧贴检测部位表面，采用距离模式连续扫描。在隧道边墙以5米间隔设置里程标记，实测中采用测距轮与打标的方式进行剖面里程定位。以下分析了衬砌各种质量缺陷雷达剖面图。
（1）衬砌厚度检测
根据地质雷达剖面显示，本段10米拱顶的衬砌厚度：最厚70厘米，最薄30厘米， 部分地段衬砌厚度不足。
（2）衬砌内部空洞
如果混凝土内部出现空洞，空洞内充满空气，介电常数发生较大变化，在雷达剖面图上会呈现明显的连续双曲线状（如图4）。在距测量原点5米的里程上，深度是20厘米，有一衬砌内部的空洞存在。
（3）衬砌内部不密实
衬砌混凝土内部若不密实，呈松散状态，含水量相对偏大，此区域相对介电常数与周围介质相差较大。由于混凝土疏松、孔隙率大、含水量不均匀， 故电磁波反射面多而乱。在雷达探测图上表现为反射波较多、不连续且反射能量强弱变化较大，图形较为杂乱（如图5所示）。在距测量原点5.4-7米的里程上，深度范围分别是15-85厘米的衬砌内部存在不密实现象。
（4）衬砌内部有异物
在距测量原点1.7-3.4米的里程上衬砌内部有异物。
（5）衬砌脱空
红筐内显示出压浆后仍然有脱空现象，其中在距离测量原点1.4～3.0m和7～8m范围脱空较为严重。
5.结论和建议
（1）用地质雷达做隧道质量检测是一项较为成熟的技术，目前在国内得到大量应用.可以说，雷达方法是隧道检测最有效和快速的方法.用地质雷达方法进行隧道质量检测，可以确定衬砌厚度，围岩和衬砌内的缺陷，探测钢筋和钢拱架等。（2）地质雷达能探测出隧道衬砌中的主要施工缺陷，为隧道的整治提供可靠的依据，能大大提高工作效率，节省费用。
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