【摘 要】 随着科技的进步，探地雷达以其低成本、高分辨率、无损性、高效率等优点成为了隧道无损检测技术的重要组成部分。本文结合工程实例分析了探地雷达在隧道检测中的应用情况。
【关键词】探地雷达;隧道检测
1、工作原理
地质雷达工作的基本原理是：发射天线以宽频带短脉冲形式向地下发射电磁波，地下介质将一部分电磁波反射回地面，并被接收天线所接收，地质雷达所接收的信号就是地下介质所反射回来的电磁波信号，当遇到电性差异较大的界面或目的体时通常产生较强的电磁波信号，通过分析反射信号的能量、频率等参数，就可区分地下有电磁差异的目标体。
电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性界面也就是电磁波传播的速度界面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，故在不同电性地质体的分界面上，都会形成电性界面，雷达信号传播到电性界面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。
地质雷达在勘查中的基本参数描述如下：
(1)电磁脉冲波旅行时
式中：z-勘查目标体的埋深；x-发射、接收天线的距离（式中因z>x,故X可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。
(2)电磁波在介质中的传播速度
式中：c—电磁波在真空中的传播速度（0.3m/ns）；
—介质的相对介电常数，
—介质的相对磁导率（一般
f）。
(3)电磁波的反射系数
电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关。
式中：r—界面电磁波反射系数；
—第一层介质的相对介电常数；
—第二层介质的相对介电常数。
(4)地质雷达记录时间和勘查深度的关系
式中：z—勘查目标体的深度；t—雷达记录时间。
电磁波在混凝土中传播速度一般为0.1～0.13m/ns，在空气中的传播速度为0.3m/ns，在人工堆积层中速度一般小于0.1m/ns，在含水率较高的如淤泥层中波速会更低，水或金属等对电磁波吸收较强。
2、数据处理与图像分析
(1)雷达数据的采集是分析解释的基础，数据处理则是提高信噪比，将异常突出化的过程。将野外采集的地质雷达数据传输至计算机中，应用配套地质雷达处理软件进行处理。
预处理，即标点的编辑、文件头参数设定及距离均一化，进行标点的编辑主要是将漏打的标点补上，多余的删除，使隧洞内所标桩号与雷达图像上的标点对应起来，在此基础上编辑文件头，设定适当的参数，并进行距离均一化。
经过预处理后，便可进行滤波、反褶积等处理，由于雷达接收到的电磁波频率范围较宽，有一部分高频和低频的干扰波，因此必须根据天线的中心频率确定滤波通道，进行滤波处理；反褶积主要是压制强反射体等的多次反射，从而达到突出有效信息，压制干扰波的目的，得到异常较明显的雷达图像。
(2)地质雷达图像的分析有定性和定量两种，定性分析主要是从彩图及波形图对探测范围内的异常体进行判定，确定异常体的属性，定量分析主要是用于对目的体的埋深、规模大小等的确定。
异常体深度的确定主要依赖于电磁波在介质中的传播速度的确定。根据实测雷达图像确定电磁波双程走时；电磁波速度则是根据电磁波在介质中的介电常数ε来确定，从而计算出目的体的位置。
对探测体进行雷达扫描，形成基本的波形图像，根据电磁波波形、振幅大小及电磁波同相轴连续性的好坏来判断探测体内是否存在缺陷。如果被探体内有空洞、裂缝、不密实等不均匀体存在，就会在雷达图像上出现强反射异常，主要表现为反射能量强，同相轴连续性较差等特点。
3、工区实例
本次勘察工作目的是查明隧道上方覆盖层的空洞情况，隧道穿越的地层和隧道下卧层主要为可塑状砾质粘性土、硬塑状砾质粘性土。
根据隧道施工情况，在隧道掌子面隧道的1#洞和3#洞掌子面以及地表3个典型断面布设了测线，以多方位的探测成果便于综合分析。
在隧道掌子面隧道的1#洞和3#洞掌子面探测结果如图3所示，探测距离30米，1号洞掌子面里程YDK12+070～YDK12+035，3号洞掌子面里程YDK12+085～YDK12+050。表1为隧道中地质雷达探测分析结果。
另外在地表布设了3条横剖面，地面探测结果如图4所示。横剖面3（YDK12+092）处于已开挖隧道上方，对空洞有很好的反映。横剖面2（YDK12+024）在4～10米深范围内普遍存在较强反射，分析认为该范围内岩土体不密实，存在空洞，并可能发育有孔隙水。横剖面1（YDK11+962）在左测线0～3米、深7～15米以及6～8米、深5～12米存在较大反射，分析认为该范围内岩土体不密实，并可能发育有孔隙水。
4、结论及意义
本次以地表垂直探测结果为主，洞内探测结果为辅，沿隧道线路方向从隧道上方地表垂直探测，实现了隧道上方覆盖层空洞分布情况及隧道范围内的地质情况的有效探测。利用地质雷达对隧道上方、前方地质情况进行探测是可行的，能有效的对隧道掌子面前的不良地质体进行预测，在隧道施工中，提前预测不良地质体能提前进行相应安全措施，避免隧道施工的安全事故的发生，因此，地质雷达在隧道超前预报中有着有效的应用，前景远大。
参考文献：
[1]郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道工程学报，2002.
[2]江玉乐，张楠.探地雷达在隧道工程检测中的应用[J].勘察科学技术，2008.
论文作者:蒲丹
论文发表刊物:《低碳地产》2016年7月第14期
论文发表时间:2016/11/10
标签：电磁波论文; 隧道论文; 反射论文; 地质论文; 介质论文; 常数论文; 范围内论文; 《低碳地产》2016年7月第14期论文;