7 地质雷达检测技术
本章导读：
地质雷达是近年来发展较快的浅层探测技术，在结构质量检测方面应用较为广泛，地质雷达的基础理论和软、硬件系统可参阅相关专业文献。本章对地质雷达的原理只作简单介绍，主要介绍其在岩土工程中的应用，特别是在隧道衬砌质量检测方面的应用。●基本要求 掌握地质雷达的原理、仪器操作、隧道检测时测线布置、现场检测方法、隧道衬砌缺陷的典型雷达图像和检测报告编制。
●重点 现场检测方法、隧道衬砌缺陷的典型雷达图像和检测报告编制。
●难点 地质雷达采集软件和处理软件使用。
7．1 概 述
7．1．1 地质雷达特点
地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。一套完整的探地雷达通常由雷达主机、超宽带收发天线、毫微秒脉冲源和接收机以及信号显示、存贮和处理设备等组成。经由发射天线耦合到地下的电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体后，产生反射波，接收机将接收到的回波信号送到信号显存设备，通过显示的波形或图像可以判断地下目标体的深度、大小和特性等。与其他地球物理方法（如浅层地震勘探、电阻率法、激发极化法）相比，具有以下特点：
①探测效率高：地质雷达仪器轻便，可以连续测量，从数据采集到处理成像一体化，操作简便，采样迅速，所需人员少，对结构无破坏；
②分辨率高：地质雷达中心频率为10～1 500 MHz，分辨率可达厘米级；
③结果直观：采集图像可实时显示，可在野外进行定性解释；
④探测目标的种类多：对地下或结构中存有电性差异的目标体均可探测。
该项技术起源于德国科学家Hulsmeyer在研究埋地特性时的专利技术。直到20世纪60年代末、70年代初，等效采样技术和亚纳秒脉冲产生技术的发展，从技术角度加速了地质雷达的发展。到20世纪80年代，地质雷达系统作为产品得以应用。自20世纪90年代中期起，学术界对地质雷达的研究产生了较大的兴趣，每年都有大量的研究论文发表，但总的来看只是得益于数字信号处理技术的发展和电子元件水平的提高，而没有理论上的突破。尽管如此，但地质雷达目前已进入工程实用化阶段。近几年来，地质雷达在硬件方面的发展已趋于平稳，仪器开发商的重点放在如何提高数据采集速率和信噪比、数据处理算法和解释软件的智能化等方面。
7．1．2 地质雷达与探空雷达的主要差异
相对于探空雷达而言，地质雷达的最大差异在于系统性能的不可预见性。主要原因包括：
①传播损耗：探空雷达的传播媒质是空气或真空介质。地质雷达的传播媒质多样，实际工作中常常无法定量地对探测介质进行标定，因而地质雷达性能的预测通常是经验性的，远非精确的。
②目标特性：探空雷达的目标与空气和真空环境的差别大。地质雷达的目标与其环境的电磁差异别相对较小，而且不确定，且目标特性依赖所处的环境。探空雷达的探测目标由于远距离，系统工作通常满足远场条件。而地质雷达通常在浅表层工作，属近场工作条件。即使是深层探测，由于地下介质的非均匀性，多次辐射的结果也使得系统不能认为是远场工作
③工作频率：地质雷达工作频率在较低频段，多数高分辨率的应用要求需要大的带宽，因此地质雷达属于超宽带系统。适于窄带系统的经典雷达方程对其不再有效。目前尚难以建立有效的超宽带电磁反射信号模型，由此影响了地质雷达系统解释的准确性。作为非自由空间的目标探测环境，地表的介电特性是一个非常关键的参数或者本身就是探测目标，但是介电特性是与频率有关的，而且常常是一个随深度变化的量。
④杂波特性：低频超宽带环境杂波比对空探测雷达的杂波更复杂。
鉴于上述基本原因，地质雷达的雷达方程差异涉及以下方面：发射天线的宽频带增益、方向图特性，向地面的耦合特性（效率、频率特性），几何扩散损失，介质的指数衰减（包括与频率有关的由电导、电介和磁质材料的弛豫引起的耗散），传播过程中介质或目标性质（对比度、方向、极化），发射—接收天线的耦合与接收天线性能，以及多径效应影响等。
7．1．3 探测设备
图7．1 雷达系统组成示意图
地质雷达系统主要由以下几部分组成（见图7．1）：
①控制与处理单元：控制单元是整个雷达系统的管理器，计算机对如何给出详细的指令。系统由控制单元控制着发射机和接收机，跟踪当前的位置和时间，并对接收机接收到的信号进行存贮和处理。
②发射接收单元：包括发射机和接收机两部分组成，发射机根据控制单元的指令，产生相应频率的电信号并由发射天线将一定频率的电信号转换为电磁波信号向地下发射，其中电磁信号主要能量集中于被研究的介质方向传播，接收机把接收天线接收到的电磁波信号转换成电信号。
③辅助元件：电源、光缆、通信电缆、触发盒、测量轮等辅助元件。
7．1．4 国内常用的地质雷达
目前国内常用的地质雷达主要有美国GSSI公司的SIR系列、瑞典MALA公司的RAMAC/GPR系列、加拿大Sensors＆Software公司的Pulse-EKKO系列、拉脱维亚Zond公司的Zond系列等；国内生产的地质雷达主要有中国矿业大学（北京）生产的GR系列、中国电波传播研究所（青岛）生产的LTD系列、骄鹏公司的GEOPEN系列、航天部爱迪尔公司（北京）研制的CIDRC雷达系列和长春地质仪器厂生产的“桑德12-C型”等地质雷达。国内和国际地质雷达的厂商及各型号地质雷达的详细信息可上网查询，在此不再介绍。图7．2～图7．7为一些地质雷达产品。
图7．2 SIR-20型雷达主机
图7．3 SIR-3000型雷达主机
图7．4 RAMAC X3M型雷达主机
图7．5 LTD-2200型雷达主机
图7．6 GR-Ⅳ便携式雷达主机
图7．7 GEOPEN型雷达主机
7．1．5 地质雷达的应用
（1）在地质工程和岩土工程勘察中的应用
主要用于建筑物地基勘察、边坡稳定性调查、基岩面探测、冻土层探测、地基夯实加固检测、地质结构灾害监测、地下水探测和地下环境监测等。
（2）在隧道工程中的应用
主要用于隧道衬砌质量检测（隧道衬砌厚度、拱架、钢筋及衬砌缺陷），隧道底部岩溶、采空区探测。近年来随着隧道建设的发展和安全施工的要求，地质雷达在围岩松动圈探测和隧道地质超前预报方面也得到了广泛的应用。
（3）在机场跑道和公路工程中的应用
主要用于机场跑道和高速公路检测，其优点在于对工程可进行无损连续检测、精度高、速度快。它不仅能准确检测面层和基层厚度的变化，而且可以检测基层以下的基础和原状土中存在的病害隐患。
（4）在水利水电工程中的应用
主要用于探测堤坝工程隐患（如堤坝裂缝、渗漏、动物洞穴等）和坝基选址调查，另外还可应用于江岸边坡调查。
（5）在采矿工程中的应用
主要用于探测采空区、陷落柱、渗水裂隙、断层破碎带、瓦斯突出、巷道围岩松动圈以及采场充填等方面。
（6）在环境工程及考古中的应用
地质雷达可用来进行地下掩埋垃圾场的调查，以确定年代久远的垃圾场的确切位置以及评价有害物质对周围介质或地下水的污染程度。考古方面地质雷达可用于古墓探测。
（7）在铁道工程中的应用
主要用于道碴厚度、道碴陷槽、翻浆冒泥、道碴下沉外挤和桥头下沉等病害的探测。
7．2 地质雷达探测原理
地质雷达利用主频为106～109 Hz波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由介质表面通过发射机发送至介质中，经介质中的目的体或介质中的界面反射后返回介质表面，被接收机所接收（见图7．8），通过对接收到的反射波进行分析就可推断地下地质情况。
地质雷达是研究超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播规律的一门学科。根据波的合成原理，任何脉冲电磁波都可以分解成不同频率的正弦电磁波。因此，正弦电磁波的传播特征是地质雷达的工作基础。关于地质雷达反射波的合成记录、电磁波在岩土介质中传播的基本理论、地质雷达硬件结构等可参阅相关专业文献。对于地质雷达数据采集、资料分析等所涉及的一些基本概念将在相关节次中分别讲述。
图7．8 地质雷达反射剖面示意图
7．3 地质雷达现场工作设计
7．3．1 雷达采集参数的设置
探测参数选择合适与否直接关系到测量结果的合适性和正确性，雷达参数的调试可通过在调试界面上修改参数设置或载入雷达参数文件来实现。不同厂商的地质雷达参数设置方式可能不同，可上网查询相关资料或通过厂商实地培训进行学习。下面仅对参数的含义进行介绍。
（1）地质雷达天线
目前可供选择的天线类型主要有微带蝶形天线和振子天线两种，这两种天线具有较宽的频带。屏蔽天线常采用微带蝶形天线，主要应用于100～2 000 MHz天线。非屏蔽天线常以拉杆振子天线为主，主要应用于20～500 MHz天线。空气耦合天线主要应用于1 000～2 600 MHz天线。具体探测时可根据实际需要选用天线，并在相应参数栏中输入天线的主频。
（2）采样点数N
采样点数是指单道雷达记录包含的数据点数，采样点数的选择要兼顾垂向分辨率（一般要求有10～20个数据点经过探测目标）、天线主频和记录数据量等因素，一般选512或1 024。
仅考虑垂向分辨率时，若已知目标尺度l（单位：m）和电磁波传播速度v，可得到雷达记录的时间采样间隔（单位：ns）
由此可大致估计采样点数：
考虑选用的天线型号时，已知天线主频f0（单位：MHz），雷达记录的时间采样间隔应该满足：
由此得到的采样点数为：
最终取N max＝max（N r，N f）（习惯上，N取大于N max并且与2的幂值系列最接近的值）。
（3）扫描速度
扫描速度是指水平方向上每秒记录的道数。扫描速度的选择除了要考虑水平分辨率（一般要求有10～20个数据点经过探测目标）和记录数据量两个因素外，还要受到采样点数参数选择的影响，一般选32或64。实测时，一直采用高速扫频可能会影响仪器的使用寿命，再者考虑模数转换速度和数据量大小的因素，采样点数确定后，在满足水平分辨率要求的前提下，可根据表7．1对扫描频率适当限制。
表7．1 采样点数与扫描速度的关系
（4）时窗的选择
时窗的选择限定了记录信号的双程走时长度，进而决定了探测深度。针对实际探测目的，天线选定后，可按照表7．2设置时窗大小。
表7．2 时窗大小与天线主频之间的关联关系
另外，可按照下面介绍的方法确定时窗：时窗W（单位：ns）的选择主要取决于最大探测深度h max（单位：m）与地层电磁波速度v（单位：m/ns）：
式（7．5）中的电磁波传播速度v可由介质的介电常数ε和电磁波在空气中的传播速度C求得：
常见介质的电磁波传播速度和介电常数见表7．3。
有时，出于记录数据量（存储空间）的考虑，直接给出雷达记录的采样点数N（N常选512），这时可用下式初步估算时窗：
式中 f0——选用的天线中心频率，MHz。
（5）介电常数
介电常数是一个无量纲的物理量，表征一种物质在外加电场情况下，储存极化电荷的能力，由被探测的地下介质电性特征确定。了解地下介质特性参数，对于正确设置仪器检测参数、准确探测地下目标是非常重要的。可由实验室测定得到或按照表7．3对应输入。介电常数的测定详见7．3．4。
（6）深度范围
深度范围对应在上述参数设置下，记录的探地雷达剖面所包含的地下介质深度范围（单位：m）。此项参数由时窗大小和介电常数决定。
表7．3 常见介质的电性特征
（7）波速
波速是指电磁波在地下介质种的传播速度（单位：cm/ns），此项参数由介电常数决定。
（8）硬件增益调节方式
硬件增益调节有整体调节和单点调节两种方式可供选择。整体调节通过鼠标左键拖动增益曲线任意一点左/右移动，达到对整个波形幅度减小/增大的目的；单点调节应该与可变点的选择配合使用。
（9）带通低截止频率
此项对应由硬件实现的带通滤波的低截止频率。
（10）带通高截止频率
此项对应由硬件实现的带通滤波的高截止频率。
高截止频率和低截止频率用来设置带通滤波的带宽（针对等效采样后的信号频率范围），以直达波和目标反射信号清晰可见为准；所有参数设置完毕，并经检验符合现场要求后，可将此种情形下的参数存为文件（菜单文件中的保存雷达参数可实现此项功能），供以后遇到类似探测任务时使用（利用菜单文件中的装载雷达参数可实现此项功能）。
7．3．2 采集参数文件的载入
即使是对经验丰富的地质雷达专家，在短时间内正确设置所有的采集参数，也不是件容易的事情。为此，有些地质雷达采集系统提供了菜单文件中的装载雷达参数的功能，同时在相应目录下提供了对应不同天线的参数文件，可以针对具体的探测任务，利用菜单文件中的装载雷达参数载入系统提供的这些参数文件，以直接使用。使用者可以进一步将每一次满意的探测参数存到相应目录下，供以后方便地使用。
7．3．3 探测方式的选择
采集参数正确设置后，可根据实际需要选择探测方式。雷达的采集系统通常都有3种采集方式：连续测量、人工点测和测量轮控制，下面分别予以简单介绍。
（1）连续测量方式
此种方式按照扫描速度的设定，连续记录雷达波形。即便处于静止状态，只要采集状态开关是开着的，天线就会不断进行采集。其数据记录量较大，具有较高的水平分辨率，主要用于不适合使用测量轮的场地下目标的探测。
（2）人工点测
主要用于事先已知的或通过普查圈定目标的大致范围后，可利用点测方式精确确定地下目标的空间位置。地形不平坦无法进行连续测量时，也可使用点测。人工点测扫描数是被单个收集的，可随着选择叠加次数进行叠加。
（3）测量轮控制方式
数据是基于测量轮的旋转而采集的，测量轮的旋转是根据设置的采样率而变化，测量轮不旋转就不采集。此种方式一般用于公路施工质量检测、隧道衬砌厚度检测、铁路路基及道碴厚度检测等。
7．3．4 现场探测过程
参数设置完毕，并选定探测方式和显示方式后，便可点击采集按钮进入数据采集和显示界面，以下针对不同探测方式逐一进行说明。
1）选择连续探测方式时的采集过程
选择连续探测方式后，只需拖动天线，系统将依据扫描速度的设定自动采集数据，此种方式过程简单，不用人工干预。探测时，进入图形显示和采集界面，将看到相应的伪彩色图或堆积波形的滚动显示。如果雷达剖面能够很好地反映要探测的地下目标的性质，说明仪器配置选择得当，参数设置正确，按下采集按钮，可以开始采集雷达探测数据了。随着天线的移动，系统将显示雷达剖面、波形。完成该段探测任务后，点击存盘按钮，系统存储数据。若想继续下一段的数据采集和存储任务，只需重复上述步骤即可。
2）人工点测
人工点测前，对探测范围进行测线布置。探测时，将天线放置在圈定范围的一个点不动，正确设置参数，选择此种采集方式，进入图形显示和采集界面，选择叠加次数。采集时按采集键将触发一次，系统将记录一道波形。此后逐点移动天线，直至所有测线完成。采集过程中的其他操作可参照连续探测方式的探测过程。
3）选择轮控制方式时的采集过程
与连续探测方式过程有所不同，测量轮控制方式必须通过测量轮的不断转动进行触发并传送一个信号，系统才会进行数据采集。采集过程中的其他操作可参照连续探测方式的探测过程。
4）地下媒质介电常数的测量
对于一些典型的媒质，在含水量已知的情况下，可以初步估计出介电常数和电导率，从而预测探地雷达的性能。
关于对土壤或其他介质介电参数的测量，除了实验室进行样品精确测量外，还可以通过探地雷达实验的方法对介质的介电常数进行初步估计，如用已知目标深度法、点源反射体法以及层状反射体法等。这些方法虽然不能够对介质的介电常数进行精确估计，但其误差一般在工程应用的允许范围之内，更因为其快速简单而得到更好的应用。
（1）已知目标深度法
如果已知埋地目标的深度为z，收发天线间距为b，电磁波在空气中的传播速度为c＝0．3 m/ns。将雷达移至目标上方使得收/发天线的中心位于目标正上方，测量双程时间t0，然后根据下式：
可得到土壤的相对介电常数。这种方法测得的εr为地面与目标路径上的相对介电常数平均值，可以代表测量点周围的局部区域情况，但前提是必须知道该目标的埋地深度。对于收发一体的天线，可近似认为b＝0。
（2）电源反射体法
如图7．9所示，地下单个细长目标的雷达剖面图呈明显的双曲线形状。假设雷达位于目标正上方（即双曲线顶点对应的地面位置）时测量的双程进行时间为t0，然后将雷达移至目标水平距离x处测量双程进行时间t1，则土壤中的波速为
图7．9 点源反射体法原理图
从而可以得到土壤的相对介电常数εr为
（3）层状反射体法
如图7．10所示，层状媒质在雷达剖面图中呈水平层状反射特性。假设两次测量中发射、接收天线的水平间距分别为x1和x2（x1≠x2），测量相应的双程进行时间分别为t1和t2。土壤中的电磁波速可表示为
因此，可以得到土壤媒质的相对介电常数为
图7．10 层状反射体法原理图
7．4 雷达资料数字处理与地质解释
7．4．1 雷达资料数字处理
地质雷达数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰，以最大的可能的分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数（包括电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释。
地质雷达与反射地震都依靠脉冲回波信号，其子波长度都由反射源控制。脉冲在地下传播过程中，能量均会产生球面衰减，也会由于介质对波的能量的吸收而减弱，在地下介质不均匀时还会散射、反射与透射。因此数字记录的地质雷达数据类似于反射地震数据，反射地震数据处理许多有效技术通过某种形式改变均可以应用于地质雷达资料的处理，下面将结合地质雷达资料特点简单介绍常用的数字处理技术。
（1）数字滤波
在雷达探测中，为了保持更多的反射波特征，通常利用宽频带进行记录，于是在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。数字滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波。
数字滤波是运用数学运算的方式对离散后的信号进行滤波，滤波分为有限脉冲滤波（FIR）和无限脉冲滤波（IIR）。为了保持探地雷达最高有效频率f max，探地雷达测量时，采样间隔必须满足采样定律：Δt≤1/2f max。
在分析处理过程中，首先对探地雷达记录进行频谱分析，确定频带中心频率以及其他干扰频率。为了确定其他干扰频率，可在探地雷达振幅谱显示模式下，确定任一扫描点在竖向波形的变化，找出周期最小的波形，即可确定最大频率的范围。
FIR和IIR滤波对于地质雷达信号来讲，两种滤波效果没有很明显的差别，主要是因为地质雷达采用宽频带信号，所以信号过渡带对信号影响较小。在具体应用过程中，使用者可选用其中一种滤波方式即可。
探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种处理方法称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。绕射扫描偏移叠加是建立在射线理论基础上，使反射波自动偏移归位到其空间真实位置上的一种方法。
进行偏移绕射叠加得到的深度剖面，在有反射界面或绕射点的地方，由于各记录道的振幅值接近同相叠加，叠加后总振幅值自然增大；反之，在没有反射界面或绕射点的地方，由于各记录道的随机振幅非同相叠加，它们彼此部分地相互抵消，叠加后的总振幅值自然相对减小。这样就使反射波自动偏移到其空间真实位置，绕射波自动归位到绕射点上。
（2）频谱补偿处理
地质雷达发射宽频带信号，雷达信号在地层传播过程中，不同频率信号由于吸收系数不同，其能量损耗不同，尤其是在深层传播的信号。为了弥补这些损失的频谱信号，通过人为方式把这些频谱信号补偿进去，通过信号补偿，也可以拓宽信号的频谱，频带越宽，时间脉冲越窄，从而时间剖面的分辨率越高，所以频谱补偿可以提高地质雷达剖面的分辨率，提高资料解释的精度。
由于补偿信号是人为增加的信号，因此在补偿过程中也容易出现边缘干扰和假频干扰。频谱补偿处理时要选择好补偿的起始频率和终止频率，且一定要在发射信号频率区域内进行补偿，补偿频率选取不当会增加干扰信号。另外，频谱补偿完成后可再对信号进行带通滤波处理，其有效信号的信噪比可明显提高。
（3）雷达图像的增强处理
探地雷达图像由于干扰及地下介质的复杂性等问题，使得我们有时难以从图像剖面识别地下介质的分布。因此，需要对图像信息进行增强处理，改善图像质量以便进行图像识别。
探地雷达图像的地质解释是探地雷达探测的目的。然而探地雷达图像反映的是地下介质的电性分布，要把地下介电的电性分布转化为地下介质体分布，必须结合已知的资料（地质、钻探、岩土工程设计等参数）。综合运用探地雷达波的运动力学、动力学和物性特征进行综合分析。
探地雷达原始剖面图纪录的是有效波的运动学特点和动力学特点来识别和追踪同一介质的波形。反射法的探地雷达解释中，反射波和干扰波都是有效波。由于有效波总是在干扰背景下记录下来的，所以解释工作的首要任务就是在剖面上识别和追踪反射波。
（4）雷达资料的其他处理方法
雷达资料的二维滤波处理、希尔伯特变换、反卷积运算、小波变换、水平预测滤波、子波相关加强、背景消除、道间平衡加强和自动增益等方面的知识可参阅数字信号处理或雷达方面的相关专业书籍。
7．4．2 探地雷达剖面上识别各种波的标志
探地雷达剖面上识别各种波的4个标志是：同向性、振幅显著增强、波形特征和时差变化规律。
（1）同向性
只要在地下介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中找到相应的反射波与之对应。根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一反射波同相位连接起来的对比线称之为同向轴。同一波组的相位特征即波峰，波谷的位置在时间剖面上几乎没有变化。
（2）振幅显著增强
一个反射波的振幅增强，还与界面的反射系数（界面两边的电性差异）和界面形状等因数有关。如果沿界面无构造或岩性突变，则波的振幅沿测线也应当是渐变的。
（3）波形特征
这是反射波的主要力学特点，由于雷达主机发射的是同一雷达子波，同一界面反射波的传播路程相近，传播过程中所经过的地层吸收等因素的影响也相近，所以同一反射波在相邻道上的波形特征（包括主周期、相位数、振幅包络形状等）是相近的。
（4）时差变化规律
由于探地雷达发射与接收距离非常相近，可以认为是自激自收方式，所以在探地雷达剖面上，反射波的同向轴是直线，绕射波的同向轴是曲线。这是探地雷达剖面识别的类型的重要依据。
7．4．3 探地雷达图像的物性解释依据
探地雷达图像的物性解释是把注意力放在单个反射层或一个小的反射层组上，利用各种雷达技术（加各种数据处理），提取探地雷达参数（主要是速度、振幅等），并紧密结合地质、工程资料研究目标体的物性。
影响探地雷达速度的因素：弹性常数、密度、空隙率以及含水量。因此，研究探地雷达速度可以确定目的体的含水量等。
影响探地雷达振幅的因素：波前扩散、介质吸收、界面的反射系数与界面反射形态等。因此，研究探地雷达波振幅的变化，可用来识别防空洞等特殊目标体。
知道上述探地雷达剖面上电磁波的标志以及雷达图像的物性解释后，再根据波速v、波长λ、频率f之间的关系λ＝v/f，可知：当反射信号频率一定时，随地层介质波速增加，接受天线所接受到的反射波波长加大；反之，当地层介质的波速降低时，反射波的波长变小。一些特征反映在探地雷达记录的剖面图上表现为，波速低的介质层，雷达反射波形的脉宽小，呈细密齿状；当地层波速加大时，雷达反射波形的脉宽亦相应加大。
7．5 地质雷达在隧道工程中的应用
地质雷达在工程领域的应用比较广泛，在本章7．1．5中已经作了介绍，隧道工程方面应用与其他领域的应用差别在于现场测线布置和检测方法不同，其资料分析基本相同。因此本节主要是介绍其在隧道衬砌质量检测中的应用。
地质雷达适应于检测隧道衬砌厚度、衬砌背后的回填密实度和衬砌内部钢架、钢筋等分布，检测以《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB 10223—2004）为依据。天线的技术指标应符合下列要求：①具有屏蔽功能；②最大探测深度应大于2 m；③垂直分辨率应高于2 cm。地质雷达主机技术指标一般均满足隧道检测要求。
7．5．1 现场检测
1）测线布置
①隧道施工过程质量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、左右边墙和隧底各布置一条；横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距8～12 m；采用点测时每断面不少于6个点。检测中发现不合格地段应加密测线或测点。
②隧道竣工验收时质量检测应以纵向布线为主，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一条；横向布线线距8～12 m；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。
③三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。
④测线每5～10 m应有一里程标记。
2）介质参数标定
（1）检测前现场标定
检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道应不少于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。当隧道长度大于3 km、衬砌材料或含水量变化较大时，应适当增加标定点数。
（2）标定方法
①在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；
②在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；
③钻孔实测。
（3）求取参数时应具备的条件
①标定目标体的厚度一般不小于15 cm，且厚度已知；
②标定记录中界面反射信号应清晰、准确。
（4）标定结果计算
相对介电常数：
电磁波速：
式中 εr——相对介电常数；
v——电磁波速，m/s；
t——双程旅行时间，ns；
d——标定目标体厚度或距离，m。
3）测量时窗
式中 ΔT——时窗长度，ns；
α——时窗调整系数，一般取1．5～2．0。
4）扫描样点数
式中 S——扫描样点数；
ΔT——时窗长度，ns；
f——天线中心频率，MHz；
K——系数，一般取6～10。
5）纵向布线要求
纵向布线应采用连续测量方式，扫描速度不得小于40道（线）/s；特殊地段或条件不允许时可采用点测方式，测量点距不得大于20 cm。
6）检测注意事项
①测量前应检查主机、天线以及运行设备，使之均处于正常状态；
②测量时应确保天线与表面密贴（空气耦合天线除外）；
③检测天线应移动平稳、速度均匀，移动速度宜为3～5 km/h；
④记录应包括记录测线号、方向、标记间隔以及天线类型等；
⑤当需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1 m；
⑥应随时记录可能对测量产生电磁影响的物体（如渗水、电缆、铁架等）及位置；
⑦应准确标记测量位置。
7．5．2 现场检测方法
现场检测要保证雷达天线与衬砌表面密贴且能匀速运动，现场一般采用以下检测方法：检测车、轨道车、市政工程车、装载机等，图7．11～图7．18为常见的检测方法，在具体选用时可根据现场条件依次选择。
图7．11 检测车
图7．12 轨道车
图7．13 市政工程车
图7．14 装载机
图7．15 出碴车
图7．16 施工台车
图7．17 挖掘机
图7．18 自制支架
7．5．3 数据处理与解释
原始数据处理前回收检验，数据记录应完整、信号清晰，里程标记准确。不合格的原始数据不得进行处理与解释。
数据处理与解释软件应使用正式认证的软件或经鉴定合格的软件。数据处理与解释流程如图7．19所示。
图7．19 数据处理与解释流程
（1）数据处理要求
确保位置标记准确、无误；确保信号不失真，有利于提高信噪比。
（2）解释要求
①解释应在掌握测区内物性参数和衬砌结构的基础上，按由已知到未知和定性指导定量的原则进行；
②根据现场记录，分析可能存在的干扰体位置与雷达记录中异常的关系，准确区分有效异常与干扰异常；
③应准确读取双程旅行时间；
④解释结果和成果图件应符合衬砌质量检测要求。
衬砌界面应根据反射信号的强弱、频率变化及延伸情况确定。
衬砌厚度的计算：
式中 d——衬砌厚度，m；
εr——相对介电常数；
v——电磁波速，m/s；
t——双程旅行时间，ns。
衬砌背后回填密实度的主要判定特征应符合下列要求：
①密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号；
②不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散；
③空洞：衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强界面反射信号，两组信号时程差较大。
衬砌内部钢架、钢筋位置分布的主要判定特征应符合下列要求：
①钢架：分散的月牙形强反射信号；
②钢筋：连续的小双曲线形强反射信号。
7．5．4 检测质量的检查及评定
采集数据检查应为总工作量的5%，检查资料与被检查资料的雷达图像应具有良好的重复性、波形基本一致、异常没有明显位移。若采集数据检查满足不了上述要求时，检查工作量应增加至总工作量的20%；仍不合格时，则整个检测工作必须重新进行，检测资料与检测报告一起提交。厚度检测成果表如表7．4～表7．7所示。
表7．4 隧道衬砌厚度检测结果
注：1．里程范围可以隧道进口为零；
2．三线隧道可根据测线数量增加相应的栏目。
表7．5 隧道衬砌钢架、钢筋分布
注：1．里程范围可以隧道进口为零；
2．三线隧道可根据测线数量增加相应的栏目。
表7．6 隧道衬砌背后回填情况统计
注：1．里程范围可以隧道进口为零；
2．三线隧道可根据测线数量增加相应的栏目。
表7．7 隧道衬砌质量汇总
注：1．里程范围可以隧道进口为零；
2．三线隧道可根据测线数量增加相应的栏目。
7．6 隧道衬砌检测与探测的典型图像
地质雷达的探测图像是雷达扫描道在屏幕上形成连续剖面，雷达图像有色阶显示和波形显示两种模型，有色阶显示信息更丰富一些。在各种显示中，横坐标是测试距离，即探测剖面的地面位置，纵坐标是电磁波在介质中的双程走时（ns）。在隧道检测与探测中，由于解译人员的知识结构和经验的差异，有时对雷达图像的解译存在一些差异和分歧，现根据作者多年的经验，选取几幅典型的雷达图像进行简要解译说明，并供参考。
7．6．1 衬砌结构
混凝土衬砌厚度计算处理时，首先应确定衬砌表面的零点，然后进行层位追踪。因此应先对电磁波所反映出的衬砌结构有一明确的认识。图7．20是隧道衬砌结构雷达实测扫描波形图。根据电磁波的传播规律反射系数Ri与分界面两侧介质的介电常数有以下关系：
图7．20 雷达实测扫描波形图
式中 ε1——分界面上层介质的介电常数；
ε2——分界面下层介质的介电常数；对图7．20进行分析：空气的介电常数为1，二衬混凝土的介电常数经标定为6，由此可计算出反射系数Ri为负，因此将衬砌表面零点的反射界面定在负相位上；同样初期支护混凝土的介电常数经标定为8，因此其介质反射界面也定在负相位上；空腔或回填欠密实的特点是孔隙大，电磁波可看作为在空气中传播，反射系数Ri为正，反射界面定在正相位上；电磁波由空腔或回填欠密实区进入围岩，其情况刚好相反，其反射界面定在负相位上。
7．6．2 层位追踪
图7．21为一典型的隧道衬砌雷达扫描图像，根据7．6．1所介绍的界面电磁波正、负相位选择原则，从图中可以清晰地分辨出各个不同介质的波形特征：二次衬砌混凝土介质均匀，反映其电磁波频率单一、对电磁波波幅有较强的吸收，二次衬砌混凝土与初支混凝土由于存在施工工艺差异以及两者之间存有防水材料，亦产生出明显的反射界面；初支混凝土与围岩之间由于施工超挖回填的块石，在回波波形上表现为较单一的低频特征，反映出其孔隙度大，密实程度较差的电性特点；围岩介质相对复杂，其波形反映出较为繁杂的多频率和波幅变化的复合特征。
图7．21 隧道衬砌结构层雷达扫描图像
7．6．3 初期支护检测中钢拱架的雷达图像
初期支护中钢拱架为的检测，主要是检测钢拱架的数量和拱架间距是否满足隧道验收标准的要求，图7．22是工字钢拱架的雷达图像。初期支护设计喷射混凝土厚度26 cm，拱架间距50 cm/榀。从图中可以看出，45～55 m，拱架数量19根，比设计数量缺1根，平均间距52．6 cm。若天线移动速率均匀，则根据拱架间隔可以判断拱架各榀间的距离。若天线移动速率不均匀，根据雷达图像判断拱架各榀间的距离存在偏差，因此在实际检测时，应尽量保持天线移动速率均匀。
7．6．4 模筑混凝土衬砌钢筋的雷达图像
图7．23是模筑混凝土中钢筋布置的雷达检测图像。由于电磁波遇到金属时发生全反射，部分能量被接收天线接收，部分能量又被反射到钢筋处，没有遇到第一层钢筋的电磁波传导至第二层钢筋，同样发生上述现象，从而形成了电磁波在钢筋和电磁波之间的多次反射，造成第二层钢筋较难识别，必须根据时间剖面并结合合适的滤波方式确定第二层钢筋的位置。若要精确检测二层钢筋的布置，可采用三维采集和分析模式进行探测和分析。
图7．22 钢拱架的雷达检测图像
图7．23 钢筋混凝土中钢筋布置的雷达检测图像
7．6．5 钢筋混凝土与初期支护背后脱空的雷达图像
图7．24和图7．25分别为钢筋混凝土与初期支护背后脱空的雷达图像，由于脱空，混凝土背后或初期支护背后充填空气或水，这二者与围岩或混凝土的介电常数差别很大，由此在分界面处形成强反射，很容易判定出脱空的位置和距衬砌表面的深度，若脱空区内的介质已知，可大概判断出空区的高度。
图7．24 钢筋混凝土衬砌背后脱空雷达检测图像
图7．25 初期支护拱架后脱空雷达检测图像
7．6．6 拱顶施工缝楔形脱空
目前隧道二衬混凝土施工一般采用模板台车泵送混凝土施工工艺，此工艺若控制不当，易在其模板接缝处形成楔形脱空，如图7．26所示。图7．27为雷达探测出的楔形脱空雷达图像。
图7．26 模板接缝处楔形脱空示意图
图7．27 楔形脱空雷达图像
7．6．7 仰拱底部空洞（溶洞）的雷达图像
隧道仰拱在进行混凝土施工前，对其底部进行探测，探明一定范围内有无采空区和岩溶、洞穴等不良地质构造，对保障运营安全有重要意义，底部探测一般要求可探测深度为10～15 m，可选择100 MHz天线。图7．28为仰拱底部溶洞雷达图像。
7．6．8 典型外界干扰的雷达图像
天线通过避车洞时，天线离开混凝土表面，中间探测的是空气介质，避车洞两侧壁形成斜向交叉波组，如图7．29所示。
隧底探测时，天线移至下锚段时，由于天线背部空间范围突然变化，造成信号干扰，引起类似底部存在空洞的雷达图像，如图7．30所示。
图7．28 仰拱底部空洞（溶洞）雷达图像
图7．29 避车洞的雷达图像
图7．30 仰拱探测时下锚段形成的干扰雷达图像
大型机械为金属性介质，相对周围介质如混凝土、围岩来说，介电常数差异很大。因此天线移至大型机械附近时，随着天线逐渐向它们靠近，雷达图像中会出现斜向波组，并且能量逐渐增强，天线逐渐远离它们时，雷达图像与靠近时相反，形成类似梯形的雷达图像。图7．31为仰拱探测时，施工台车形成的干扰雷达图像。
图7．31 施工台车仰拱形成的干扰雷达图像
由于隧道施工环境复杂，施工机械、电缆、风管等都可能造成雷达信号的干扰，因此在检测时，对于信号异常部位可进行多次测试，确定或排除干扰，确保采集信号的真实性。
7．7 隧道检测实例与检测报告
前面几节分别介绍了地质雷达的原理、隧道检测方法、资料分析和信号识别，本节主要结合工程实例，介绍检测报告的编写，供具体应用时参考。
某隧道全长3 650 m，根据业主和监理要求抽检其中100 m（DK70＋050～DK70＋150），现根据现场检测情况和资料分析结果编写检测报告。
第一部分，工程概况：内容主要包括工程名称、隧道名称、施工单位、监理单位和委托检测单位、检测日期、检测人、复核人等相关信息。
第二部分，检测依据：介绍检测依据的规范、规程、施工设计图等相关信息。
第三部分，仪器设备：介绍所采用的雷达型号、电线频率等相关信息。
第四部分，测线布置与测试方法：按相应规范（程）或按委托方要求进行布线，绘出测线布置图和现场采用辅助的检测车辆，检测工作量。必要时可列出采集数据文件的名称、测线位置、检测方向、数据存贮位置等相关信息以备复核和检查。
第五部分，检测原理：主要介绍地质雷达检测原理，介电常数的标定，资料处理过程、处理方法等，必要时可简单列出典型的雷达信号图像。
第六部分：检测结果，其内容见相应检测结果表。
附表1：×××隧道（DK70＋050～DK70＋150）施工参数表
附表2：×××隧道衬砌厚度检测结果
附表3：×××隧道初期支护衬砌钢架检测结果
注：备注内容填写是否合格、是否全环布设钢架等信息。
附表4：×××隧道衬砌钢筋检测结果
注：备注内容填写是否合格等信息。
附表5：隧道衬砌质量情况表
注：衬砌质量描述内容包括混凝土是否密实、二衬与初支间是否存在脱空、初支与围岩间是否存在脱空等。
附图1 隧道衬砌质量图
本章小结
隧道衬砌质量检测是隧道施工过程和质量验收必须进行的工作，了解地质雷达的检测原理，才能对检测参数的设置、雷达资料处理与解释等有系统的认识。本章提出的几种检测方法，在具体工作中，应结合施工现场情况，尽量选用安全、快速的检测方法。典型的雷达图像的识别和检测报告的编写可为今后从事此项工作提供参考。
思考题
7．1 简述地质雷达的工作原理和隧道衬砌质量检测中测线的布置方式和检测方法。
7．2 隧道检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，请说明标定要求、标定方法和注意事项。
7．3 列出雷达检测衬砌厚度的计算公式并指出各参数的含义。
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