地質(zhì)雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用研究

中圖分類號 U456 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0047-03

0 引言

隧道檢測作為確保隧道工程質(zhì)量、預防安全事故的關鍵環(huán)節(jié)，一直受到工程界和學術界的高度關注。然而，傳統(tǒng)的隧道檢測方法，如目視檢查、鉆孔取樣等，不僅效率低下，還可能對隧道結構造成一定損傷，難以滿足現(xiàn)代隧道工程對檢測精度和效率的嚴格要求。文章旨在深入研究地質(zhì)雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用，探討其工作原理、技術特點、數(shù)據(jù)處理方法及實際應用效果。通過理論分析與實例驗證相結合的方式，全面評估地質(zhì)雷達無損探測技術在隧道檢測中的可靠性、準確性和經(jīng)濟性，以期為隧道工程的安全運營和科學管理提供有力保障。

1地質(zhì)雷達無損探測技術檢測工作原理

1.1基本原理

地質(zhì)雷達無損探測技術是一種基于電磁波的地下介質(zhì)無損探測方法。它利用超高頻（ ）電磁波，以寬頻帶脈沖形式，通過發(fā)射天線將電磁波定向送入地下或工程實體內(nèi)。這些電磁波在遇到地下介質(zhì)中存在電性差異（如介電常數(shù)、電導率等）的界面時，會發(fā)生反射、透射和折射等現(xiàn)象。反射回的電磁波隨后被接收天線捕獲，并用于分析地下介質(zhì)的分布情況。

1.2工作流程

發(fā)射電磁波：地質(zhì)雷達系統(tǒng)通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波的頻率范圍選擇取決于具體的探測目標和地質(zhì)條件，不同的地質(zhì)結構或工程實體可能需要不同的天線頻率。

電磁波傳播與反射：電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度及波形會隨介質(zhì)的電性特征和幾何形態(tài)而變化。當電磁波遇到地下介質(zhì)不均勻、介電常數(shù)有差異的界面時，會發(fā)生反射，反射波的強度與界面的電性差異成正比，電性差異越大，反射波能量也越大。

接收反射波：反射回的電磁波由與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收，接收天線將接收到的信號傳輸給雷達主機進行處理。

信號處理與分析：雷達主機對接收到的反射波信號進行精確記錄，包括其到達時間、相位、振幅、波長等特征。通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像。對地質(zhì)雷達圖像的識別和分析，可以確定地下界面的空間位置、形態(tài)及結構特征。

1.3 探測深度與分辨率

地質(zhì)雷達的探測深度范圍和分辨率與所使用的天線頻率密切相關。一般來說，天線頻率越高，探測分辨率越高，但探測深度相對較淺；反之，天線頻率越低，探測深度越大，但分辨率可能有所降低。因此，在實際應用中，需要根據(jù)具體的探測目標和地質(zhì)條件選擇合適的天線頻率。

2運用地質(zhì)雷達無損探測技術的具體方法

2.1 儀器選擇

掃描速率是衡量地質(zhì)雷達探測效率的重要指標。例如，SIR-30E新一代高速24位專業(yè)地質(zhì)雷達儀的掃描速率可達到2896線/秒，這樣的高掃描速率能夠顯著提升探測效率。高分辨率的數(shù)據(jù)輸出能夠提供更精細的探測結果。SIR-30E采用32位輸出數(shù)據(jù)分辨率，增強了接收較弱信號數(shù)據(jù)的分辨能力，有助于增大探測深度和提高探測精度。每秒的采樣點數(shù)也是影響探測精度的關鍵因素。SIR-30E每秒高達16384個采樣點，這有助于提高數(shù)據(jù)分辨率和探測準確性。選擇與多種天線兼容的雷達儀能夠增加探測的靈活性和適用性，SIR-30E與GSSI廠家所有頻率的天線兼容，滿足不同探測需求。在對初期支護表面進行檢測時，通常選用頻率為 5 0 0 ～ 8 0 0 M H z 的天線[1。襯砌表面進行二次檢測時，宜采用頻率為3 0 0 M H z 左右的天線[2。隧道中傳播速度為 1 2 c m / n s 條件下，不同頻率的天線其測試深度不同，詳情見表1。

探測深度和分辨率是選擇地質(zhì)雷達儀時需要重點考慮的性能指標。不同的隧道結構和地質(zhì)條件可能需要不同的探測深度和分辨率。隧道檢測環(huán)境復雜多變，因此地質(zhì)雷達儀的便攜性和耐用性也是不可忽視的因素。小型化、輕量化的設計便于攜帶和野外施工，同時需要具備良好的防護等級以應對惡劣的工作環(huán)境。強大的數(shù)據(jù)處理和分析能力能夠提升探測結果的準確性和可靠性?，F(xiàn)代地質(zhì)雷達儀通常配備先進的信號處理技術和圖像合成軟件，能夠?qū)崟r采集、顯示和處理探測數(shù)據(jù)，形成直觀的地下斷面掃描圖像。

2.2 測線的布置

測線布置的基本原則為“縱向布線為主，環(huán)向布線為輔，關鍵位置布線”。隧道襯砌質(zhì)量檢測時，應以縱向布線為主要方式，環(huán)向布線則作為輔助手段，在存在問題的地段應進行加密檢測?？v向布線的位置應覆蓋隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧底，環(huán)向布線則根據(jù)具體的檢測內(nèi)容和要求來布設線距，一般情況線距為5 ～ 1 0 m 。測線布置具體見圖1。

具體布置方式可分為隧道施工過程中的質(zhì)量檢測布線以及隧道竣工驗收時的質(zhì)量檢測布線。施工時，縱向布線應在隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻和隧底各布置一條測線，形成全面的縱向檢測網(wǎng)絡。環(huán)向布線則根據(jù)檢測需要，在存在問題的地段加密測線，線距可適當縮小?？⒐を炇諘r縱向布線要在隧道拱頂、左右拱腰和左右邊墻各布置一條測線，對隧道主體結構進行全面檢測[3]。

測線布置的細節(jié)要求：在檢測工作開展前，應在隧道的邊墻上每隔 5 m 對隧道樁號做好標記，要求標記準確清晰，以便于測線的布置和數(shù)據(jù)的記錄?？v向布線應采用連續(xù)測量方式，掃描速度不得小于一定標準（如40道／秒），在特殊地段或條件不允許時，可采用點測方式，但測量點距不得大于一定距離（如 2 0 c m ），測線每 5 ～ 1 0 m 應有里程標記，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。在檢測中發(fā)現(xiàn)不合格地段時，應加密測線或測點，以進一步查明問題原因和范圍。

2.3 數(shù)據(jù)的收集

控制器通過天線向隧道襯砌發(fā)射高頻雷達脈沖信號，這些信號以電磁波的形式沿著預設的檢測線路傳播，與隧道襯砌及其背后的圍巖相互作用。雷達主機每秒可發(fā)射多達70個以上的高頻脈沖信號（具體數(shù)值可能因設備型號和設置而異），每次脈沖信號的發(fā)射能生成大約55個檢測點。這些檢測點密集地覆蓋了檢測線路，為隧道內(nèi)部結構提供了詳細的圖像。隧道內(nèi)壁上每隔一段距離會設置一個記號，并標注隧道的里程。這些記號作為參照點，幫助工作人員將天線裝置對準并輸入相應的信號至儀器內(nèi)。當隧道內(nèi)的標記與雷達記錄一致時，會進一步加大記號的間隔，以便于管理和分析。

在信號發(fā)射和接收的過程中，雷達主機實時收集反射回來的電磁波數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含了隧道襯砌和圍巖的反射信息，是后續(xù)分析隧道結構狀態(tài)的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)結束后，需要對收集到的材料進行整理和分析，這包括將記錄的信號數(shù)據(jù)轉換為可視化的圖像或圖表，以便更直觀地展示隧道內(nèi)部結構及其潛在問題。數(shù)據(jù)收集完成后，需將原始數(shù)據(jù)導出至計算機或其他存儲設備中，并進行整理和備份。對數(shù)據(jù)進行初步檢查，剔除無效或異常數(shù)據(jù)，準備好數(shù)據(jù)分析所需的軟件和工具，如雷達數(shù)據(jù)處理軟件、圖像處理軟件等。根據(jù)數(shù)據(jù)分析需求，對數(shù)據(jù)進行預處理，如濾波、去噪、增益調(diào)整等，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析效率。

3相關數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理是地質(zhì)雷達無損探測技術數(shù)據(jù)處理流程中的首要環(huán)節(jié)，旨在通過一系列技術手段提高原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和解釋提供清晰、準確的數(shù)據(jù)基礎，具體步驟如下：

（1）濾波去噪：由于地質(zhì)雷達在數(shù)據(jù)采集過程中會受到環(huán)境噪聲、電磁干擾等多種因素的影響，原始數(shù)據(jù)中往往包含大量的隨機噪聲和干擾信號。濾波去噪是通過應用適當?shù)臑V波器，如低通、高通、帶通或帶阻濾波器，來去除這些不需要的噪聲成分，從而提高信噪比，使有用的反射信號更加突出。

（2）增益調(diào)整：地質(zhì)雷達接收到的反射信號強度可能因介質(zhì)性質(zhì)、距離遠近等因素而異。增益調(diào)整是根據(jù)信號的強弱，動態(tài)地調(diào)整接收機的增益，所有重要的反射信號都能以適當?shù)姆蕊@示，既不過強也不過弱，便于后續(xù)的識別和分析。

（3）時間零點校正：每個脈沖信號的起始時間（即時間零點）是確定反射信號位置的關鍵。然而，由于系統(tǒng)延遲、天線位置變化等因素，不同脈沖信號的時間零點可能不一致。時間零點校正是通過特定的方法（如使用直達波信號）來校準每個脈沖信號的時間零點。

3.2 數(shù)據(jù)校正與標定

數(shù)據(jù)校正與標定的主要目的是確保地質(zhì)雷達收集的數(shù)據(jù)能夠準確反映隧道內(nèi)部結構的實際情況，特別是在空間位置與介質(zhì)性質(zhì)上與實際隧道環(huán)境保持高度一致。里程標記核對涉及將地質(zhì)雷達系統(tǒng)記錄的里程信息與隧道內(nèi)部實際設置的里程標記進行逐一比對。通過精確測量和記錄，雷達數(shù)據(jù)能與隧道內(nèi)壁上的對應位置相匹配，從而建立起數(shù)據(jù)與實際隧道位置之間的準確對應關系。

介電常數(shù)是影響電磁波在介質(zhì)中傳播特性的關鍵參數(shù)，不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同，會直接影響地質(zhì)雷達圖像的準確性。在隧道內(nèi)部選取已知厚度的部位或使用雙天線直達波法等方法進行介電常數(shù)標定。通過標定，可以準確獲取隧道內(nèi)各種介質(zhì)的介電常數(shù)，進而在數(shù)據(jù)分析時考慮這一因素。

測線位置復核包括檢查測線是否按照預定的路線和間距布置，是否覆蓋了隧道的關鍵區(qū)域，以及測線之間是否有足夠的重疊區(qū)域。

3.3數(shù)據(jù)分析與解釋

對地質(zhì)雷達記錄的時域波形進行詳細分析，時域波形直接反映了電磁波在隧道內(nèi)部介質(zhì)中的傳播和反射情況，通過分析波形的形狀、振幅、相位等特征，可以識別出不同介質(zhì)界面（如襯砌與圍巖、不同巖層之間）的反射信號，初步了解隧道內(nèi)部的結構特征。將時域波形數(shù)據(jù)轉換為地質(zhì)雷達時間剖面圖或三維圖像。這些圖像能夠直觀地展示隧道內(nèi)部結構的分布情況，包括各層介質(zhì)的厚度、形態(tài)以及它們之間的界面等。通過圖像，可以更加清晰地觀察到隧道襯砌背后的空洞、裂縫、不密實等潛在缺陷。

在圖像生成的基礎上，進一步對圖像中的異常反射信號進行分析。這些異常信號通常表現(xiàn)為振幅的增強、波形的畸變等特征，它們往往與隧道襯砌背后的缺陷相關聯(lián)。通過仔細比對和識別，可以確定缺陷的類型（如空洞、裂縫等）、位置以及可能的規(guī)模。對識別出的缺陷進行量化評估。利用地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)的精確性和圖像處理的先進技術，可以測量出缺陷的大小（如面積、體積）、位置（如坐標、深度）等具體參數(shù)。這些量化數(shù)據(jù)對于評估隧道結構的穩(wěn)定性和制定維修方案具有重要意義。通過量化評估，可以更加準確地了解隧道結構的實際狀況，為后續(xù)的維修和加固工作提供科學依據(jù)。

3.4 后續(xù)應用與反饋

根據(jù)檢測項目的實際應用情況，將對地質(zhì)雷達的各項參數(shù)進行精細化調(diào)整，包括發(fā)射頻率、接收增益、掃描速度等，以適應不同地質(zhì)條件與隧道結構特點，提高數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量與解析度。持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，引入更先進的去噪、濾波、圖像增強等技術手段，提高數(shù)據(jù)處理的自動化程度與準確性，減少人為干預帶來的誤差。

整理隧道檢測項目的典型案例，包括成功識別重大缺陷的案例、技術難題解決案例等，形成系統(tǒng)的案例庫，供內(nèi)部培訓與對外交流使用。深入分析檢測過程中遇到的問題與挑戰(zhàn)，如復雜地質(zhì)條件下的信號解析難題、特殊結構部位的檢測盲區(qū)等，總結經(jīng)驗教訓，提出改進策略。

4結論

地質(zhì)雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用，展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢與顯著的應用效果。該技術通過向隧道內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波，并利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播與反射特性，實現(xiàn)了對隧道襯砌、圍巖等結構的非接觸式、高精度檢測。研究結論表明：地質(zhì)雷達無損探測技術能夠準確識別隧道內(nèi)部的隱蔽缺陷，如空洞、裂縫、不密實區(qū)域等，并對其進行精準定位與量化評估。其高分辨率成像能力，使得檢測人員能夠直觀地了解隧道結構的實際情況，為隧道的維護管理提供了科學依據(jù)。地質(zhì)雷達無損探測技術還具備檢測速度快、效率高、對隧道結構無損傷等優(yōu)點。相較于傳統(tǒng)的檢測手段，如鉆孔取芯、超聲波檢測等，地質(zhì)雷達無損探測技術能夠在不影響隧道正常運營的情況下，快速完成大面積的檢測任務，大大提高了檢測效率與安全性。

參考文獻

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[2]余清.地質(zhì)雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用[J]運輸經(jīng)理世界，2024（14）：81-83.

[3]王智博.地質(zhì)雷達無損探測技術在隧道檢測中的應用研究[J].科技與企業(yè)，2015（24）：151.