雷达技术在公路工程隧道无损检测中的应用

张辉，倪凯男

（浙江交工交通科技发展有限公司，浙江 杭州 311112）

0 引言

公路工程隧道检测方法主要分弹性波法和电磁波法两大类。其中地质雷达法属于公路工程中应用较为广泛的电磁波法之一，其利用小波长、高分辨率的高频电磁波实现公路工程隧道结构的无损快速检测。当前地质雷达技术已经实现了单点探测、连续探测并实时显示，为公路工程隧道无损检测提供了有效的技术支持。

1 地质雷达技术简介

GPR（Ground Penetrating Radar,地质雷达技术）是一种利用高频电磁波对目标物体和周围物体电性差异高度敏感特性，对地下物体位置、结构进行探测的地球物理勘查技术[1]。

地质雷达技术可以向地下发射高频电磁波，电磁波以脉冲形式向地下介质传播，在遇空气界面、岩性边界、底层界面等电性差异发生变化的目标体后，电磁波会发生反射并被接收天线接收，通过处理分析，结合电磁波反射波的强弱、波形、走时差等参数，推理解释地下目标体的位置、几何形态、内部结构特征，最终实现完整形态下的目标介质探测目标。

2 雷达技术在公路工程隧道无损检测中的应用要点

2.1 检测指标要求

公路工程隧道勘察对雷达检测指标具有较高的要求。依据《公路工程质量检验评定标准（第一册土建工程）》（JTG F80/1—2017），地质雷达主机系统增益应不低于150dB，信噪比不低于60dB，模数转换不低于16位，采样间隔一般不大于0.2ns，信号叠加次数可选择或自动叠加，数据的触发和采集模式为距离模式、时间模式或手动模式，具有点测与连续测量功能，具有手动或自动位置标记功能，具有现场数据处理功能。

对于地质雷达天线的选择，应保证在满足最大探测深度要求的基础上，优先选择高频率的天线，且要具有屏蔽功能。在连续检测时，优选距离触发采集，避免因速度不均而出现图形畸变情况；当现场条件不足时，选择时间触发采集。

2.2 技术要求

公路工程隧道雷达无损检测布线时，应贯彻纵向布线为主、环向布线为辅的方针，对测线位置进行精准记录。一般两车道隧道测线数量应不少于5条，布置在隧道拱顶、左右拱腰及左右边墙；对于三车道及以上车道，应在隧道拱腰部位增加测线。为确保地质雷达图像剖面各测点位置与实际隧道检测里程位置相对应，应沿着隧道边墙，每间隔5.0m或10.0m作1个单线标记，每间隔50.0m作1个双线标记，便于后期核对。

隧道衬砌厚度是公路隧道地质雷达无损检测的主要指标之一，雷达波速是隧道衬砌厚度计算的主要参数[2]。受工艺实施、材料使用的影响，混凝土衬砌、喷射混凝土中的雷达波速势必会出现一定幅度的变化。此时，为确保公路工程地质雷达隧道检测精度，需要进行现场雷达波速标定。

鉴于屏蔽天线在公路工程隧道地质雷达无损检测中使用频次较高，根据隧道衬砌混凝土厚度，结合检测目标，要选择恰当的天线频率。比如，在探测目标为隧道衬砌背后围岩时，可以选择中心频率为250MHz的天线，并调整混凝土波速为12cm/ns，波长为48.0cm，分辨率为150λ/B，穿透深度为150cm，精度误差为4.0%；在探测对象为模筑混凝土/喷射混凝土时，可以选择中心频率为400MHz、500MHz或900MHz的天线，混凝土波速均为12.0cm/ns，波长分别为30.0cm,24.0cm,13.0cm，分辨率分别为3.8λ/B,3.0λ/B,1.7λ/B，穿透深度分别为100cm,100cm,40cm，精度误差分别为3.8%,3.0%,1.7%。

2.3 检测分辨率要求

对于地质雷达天线来说，应保证垂直分辨率超过2.0cm。地质雷达分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，分别指地质雷达可以检测出的垂向和水平向最小异常体的能力，与电磁波波长大小有关。当电磁波波长增加时，接收的波形信号辨识能力下降，检测精度下降，反之则上升[3]。当衬砌混凝土的电磁波波速为0.10m/ns时，其对应的介电常数为9。当探测深度为100cm，天线中心频率为400MHz时，其垂向定厚分辨率、垂向识别分辨率、横向分辨率分别为3.1cm,0.31cm,35.4cm；当探测深度为50cm，天线中心频率为900MHz时，其垂向定厚分辨率、垂向识别分辨率、横向分辨率分别为1.4cm,0.14cm,16.7cm。

3 案例分析

3.1 工程概况

某公路隧道包括上行分离式隧道和下行分离式隧道，上下行隧道累计长度为1 770m，中心间距为32.4m。其中上行隧道位于上行线K61+069—K61+944段，全长875m，为直线隧道，纵坡为0.85%，最大埋深为89.6m；下行隧道位于下行线K61+014—K61+959段，全长895m，进出口均位于曲线上，纵坡为1.15%，最大埋深为116.0m。隧道设计净跨8.96m，净高6.5m的半圆拱曲墙式断面。

3.2 检测方案

公路工程隧道地质雷达无损检测包括踏勘、测线、检测3个步骤。

第1步：隧道踏勘。在地质雷达无损检测前，由检测人员对公路工程隧道进行踏勘，初步了解工作条件[4]。比如隧道高度、隧道中避车洞、电缆位置、下锚段位置以及隧道底部积水或已发生灾害地质情况。

第2步：确定测线位置并搭建检测平台。公路隧道一般需要布设拱顶测线、左拱腰测线、右拱腰测线、左边墙测线、右边墙测线5条测线。检测平台搭建一般采用登高车或爬梯车。

第3步：地质雷达实体检测。将地质雷达天线与衬砌表面密切贴合，沿隧道纵向滑动，并在天线经过的地方画线标记。检测速度控制为2km/h左右。雷达仪主机高速发射雷达脉冲，进行快速连续采集。为保证雷达时间剖面上各测点的位置与隧道里程准确关联，在衬砌壁上每5.0m或10.0m标上里程桩号。当天线对齐某一桩号时，每5.0m或10.0m作一单线标记，每50.0m的整桩号作一双线标记。现场检测时，应根据实际情况选择参数[5]。

3.3 检测结果

采集完成后，采用分析软件对采集的数据进行滤波、增益等一系列处理，最后形成雷达图像。通过判读目标体的电磁波波形形态和图像特征，对检测结果进行解译。探地雷达检测结果如图1所示，衬砌内两层钢筋反射信号清晰，钢拱架分布较均匀。K61+743—K61+752段内，检测长度为9m，第一排钢筋37根，平均间距25.0cm；钢支撑10榀，平均间距1.0m；二次衬砌厚度为46.8～53.2cm。

图1 探地雷达检测结果

4 结语

雷达技术不仅可用于公路工程隧道衬砌厚度、内部钢架与钢筋分布、背后空洞检测，而且可以用于检测混凝土与围岩接触面脱空情况并圈定仰拱充填虚渣范围，为公路工程隧道质量控制提供依据。在应用地质雷达技术时，检测人员应根据公路工程隧道施工情况，进行测线的科学布置，合理设置参数，恰当处理检测数据，保证最终检测结果的精准性，为公路工程隧道质量控制提供依据。