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摘要：地质雷达技术近年来在物探应用领域得到广泛而迅速的发展，其特点是对其探测目标具有快速、无损和准确。文章简单阐述了地质雷达的探测原理和方法，通过应用实例分析，说明地质雷达技术已经成为铁路隧道工程质量检测最为有效的手段之一并得到广泛应用。
关键词：地质雷达；无损检测；隧道；电磁波；介电常数
1 前言
地质雷达技术是近年发展起来的一种基于电磁波反射原理，用于浅层地质结构和岩性探测，工程质量检测的一项地球物理新技术，它是利用超高频脉冲电磁波为振源，以自激自收的形式，采用连续、间断两种方式探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。相比其他物探方法，地质雷达技术具有快速、无损、连续、实时显示、准确、探测精度高等特点，因而在许多行业领域得到广泛的应用。
目前在我国铁路工程施工过程中，地质雷达技术可用于场地勘察和工程质量检测两大主要领域。场地勘察包括：工程场地勘察、铁路与公路路基状态调査、基岩风化层调査、地下水探査、地下溶洞和人工洞室探测等；工程质量检测包括：铁路和公路隧道衬砌、高速公路路面及路基、机场跑道等质量检测和工程结构检测。随着铁路客运专线建设进程的加快，建设项目增多，隧道工程数量巨大，为保障隧道施工中人员、设备的安全，保证工期和质量，节约投资，均需要对隧道进行质量检测、病害诊断、掘进超前预报。地质雷达已成为检测隧道衬砌厚度和质量的主要工具。
正在建设的拉林、大瑞和杭绍台铁路均采用地质雷达技术来检测隧道混凝土衬砌质量，目前，隧道混凝土衬砌常见的质量问题包括：衬砌背后脱空、衬砌背后回填不密实、衬砌厚度不足、渗漏水、局部裂缝、钢筋布置不足等问题。针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题，利用地质雷达技术进行隧道无损检测，可以达到如下目的：探测隧道拱部内可能存在的空洞位置及规模；探测混凝土初衬和二次衬砌厚度；探测混凝土衬砌内钢筋及钢格栅的分布；探测二次衬砌混凝土内裂缝；探测层间积水。
2 地质雷达探测原理
地质雷达的探测原理是，向地层发射一定强度的高频电磁脉冲波，电磁波传播的过程中遇到不同电磁性介质分界面时，一部分能量会转换成反射波返回地面，另一部分能量透过界面继续传播，再次遇到界面时，又产生反射波返回地面。接收到反射波并利用所带信息加以分析，就可获得被探测介质的层厚、密实性等物理量。工作原理如图1。
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图1 地质雷达工作原理图
电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可根据下式算出异常介质的埋藏深度H：
H=V﹒ΔT/2
式中，V是电磁波在介质中的传播速度，其大小由下式表示：
V=C/
式中，C是电磁波 大气中的传播速度，约为3.0×108m/s；
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是相对介电常数，不同的介质其介电常数不同。
雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系统可表示为：
r=
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。
雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和波的频率。电导率越高，穿透深度越小；频率越高，穿透深度越小。
3 隧道无损检测
3.1 隧道的测线布置方式
开展地质雷达无损检测工作首先需要针对检测对象的不同，合理布置检测工区测线。对于场地和三维体探测（如岩溶、空洞等）要求在二维空间布置覆盖目标体的测线，即在x和y两个方向上进行测线布置。而对于铁路、公路、地铁隧道工程来说，需要根据检测精度的要求，沿隧道里程方向合理布置各检测部位纵向测线，同时辅以一定间隔的横向测线为补充。
铁路隧道测线布置一般在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底中线（单线隧道）各布1条，合计6 条纵向测线；横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况下线距8〜12 m。采用点测时每断面不少于6个点。检测中发现不合格里程段应加密测线或测点。
3.2 天线及釆样时窗的选择
釆用400 MHz天线重点在于检测衬砌回填情况及衬砌厚度，采样时窗设计为20〜40 ns采样深度控制在1.5m左右；采用900 MHz天线主要检测衬砌厚度及钢拱架、钢筋的分布情况，采样时窗宜选为20〜25 ns，釆样深度控制在1 m以内。
3.3 现场检测工作
1）现场检测要保证雷达天线密贴耦合好混凝土衬砌表面行进，打点标记位置准确无误。
2）为了保证天线移动平稳、速度均匀，考虑仪器扫描采集速度和与实测条件，天线移动速度控制在3〜5 km/h较为合适。
3）现场要记录好每条测线数据编号对应的位置和里程、标记间隔以及天线类型等；并随时记录现场干扰采集数据信号的物体（如电缆、大型设备、管道、避车洞等）及其里程位置。
3.4 后期资料处理和解释工作
由于地下介质相当于一个复杂的低通滤波器，所激发的脉冲电磁波反射回地面是被拉长和衰减的雷达子波，这样从地下各层介质先后反射回的反射波叠加后模糊了各层反射波的岀现时间、能量和极性等重要的地质因素，需要对釆集的雷达数据进行处理来确定地下介质的位置分布。
数据处理的目的是抑制随机的和有规律的干扰.最大限度提髙雷达剖面上的分辨能力。提取电磁反射波的各种有用参数，来解释不同介质的物理特征。如利用各种反褶积技术，可以达到压缩雷达子波，提高分辨率的目的；利用地震资料中的偏移处理方法可以对数据元进行偏移归位问题。
对于雷达资料处理，常用的处理步骤有如下功能：背景去噪用以抑制随机干扰噪声来提髙信噪比。自动增益或手动控制增益用来补偿介质吸收和抑制杂波。滤波处理和时频变换用来去除高频或突出目的体，以降低背景噪声和多次波的影响。
4、工程项目实例分析
该工程项目位于西藏自治区林芝市拉林铁路项目，检测工作于2020年3月进行，共检测2座隧道，全长共计 2.6 km。
按照要求采用地质雷达法对隧道混凝土衬砌的厚度、围岩与衬砌混凝土界面缺陷及缺陷位置、衬砌混凝土内部缺陷、钢筋拱架的位置分布及数量、仰拱铺底厚度等进行检测。
具体布置了拱顶（1条）、左右拱腰（2条）、左右边墙（2条）及仰拱铺底（1条）共6条连续测线。
图2为某隧道中衬砌钢筋混凝土的环向钢筋反射图。衬砌中的钢筋或钢拱架是隧道检测的一个重要内容，关系到衬砌体的力学性状和完整性。图中钢筋的反射为连续的小双曲线形强反射信号。
图3为某隧道中钢拱架反射图。图中钢筋拱架的反射信号为分散的月牙形强反射信号。
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图 2 钢筋反射图形
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图 3 钢拱架反射图形
图4为某隧道拱顶局部脱空反射图。
图5为某隧道边墙局部不密实反射图。主要是由于混凝土离析，形成蜂窝状结构。空洞或不密实的位置与形态是雷达检测的另一重要内容，衬砌界面的强反射信号呈绕射弧形，且不连续，较分散。图象中两反射波颜色明显不同，为衬砌厚度和空洞的识别提供了可靠依据。
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图 4 局部脱空反射图形
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图 5 局部不密实反射图形
图6为某隧道仰拱底面反射图。
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图 6 仰拱底部反射图形
5结论
使用地质雷达对隧道衬砌混凝土结构进行检测，实践证明该技术方法是切实可行的。地质雷达技术在判断隧道衬砌厚度、空洞、钢拱架等方面具有较高的准确性，是一种快速高效、实用方便、安全的无损检测方法。将地质雷达无损检测技术用于铁路、公路、城市地铁等隧道工程质量检测，可以将施工中存在的各种质量隐患排除在建设施工阶段，起到监控检测施工质量的重要作用。随着该项技术的推广，从野外数据采集到后期的数据处理和解释水平的不断提高和完善，地质雷达探测技术将会在隧道工程质量检测领域具有广阔的发展空间，将带来巨大且显著的社会效益和经济效益。
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