探地雷达在隧道和公路施工质量检测中的应用

于景兰 王春和 郭金顺 266071 信息产业部22所青岛分所

摘要 探地雷达在公路、桥梁、隧道建设中的作用正在为人们所认识，它将逐渐取代传统的施工质量检测方法，使其定量化。本文首先介绍探地雷达的工作原理和测量方法，然后结合实例，对探地雷达在隧道和公路施工质量无损检测中的应用逐一进行分析，说明探地雷达仪器的科学性、方便性。

关键词 探地雷达 隧道施工质量 无损检测 定量化 方便性

一、前言

传统的隧道和公路施工质量检测方法主要是钻孔取芯法，此类方法虽然具有直观

的优点，但费时、功效低，且局限在取芯点上，难以全面评价施工质量，并且这种方法对工程本身也有一定的损害。随着与经济发展相适应的交通建设高潮的到来，为了进一步提高施工质量，抢占市场先机，研究、采用先进科学的手段对施工质量进行无损检测显得越来越重要。

探地雷达是近几年才在国内开始应用于公路、隧道施工质量检测中的一项新技术。检测时，它利用一个天线发射高频宽带电磁波,另一个天线接收来自地下介质界面的反射波（电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化），根据接收到的雷达波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料,来推断介质的结构。探地雷达的检测优点在于无损、连续、高效，并且具有较高的检测精度。

在地下目标的高分辨率探测领域，信息产业部电子22研究所 (中国电波传播研究所)经过十余年的持续研究工作，已研制成功LTD系列多种型号的军用和民用地下目标探测雷达产品系列，该系列既可以用于对公路、隧道等施工质量的检测，又可以用于对地下较深层目标的探测。另外，系统所有控制都通过界面非常友好的中文菜单进行，操作简便、可靠性高。具有实时动态调试、图像连续显示、数据存贮、背景消除、点测波形堆积、快速回放、事后图象处理和识别及打印输出等功能，与国外同类

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产品相比，LTD系列探地雷达具有性能价格比高，使用方便等特点，已经广泛应用于军事和国民经济建设中的安全检测、地质勘探、城建、文物考古、公路、机场和铁路等众多部门。

二、探地雷达的工作原理和检测方法

1、工作原理

探地雷达通常由雷达系统和显示处理系统两大部分（两个分系统）组成，雷达系统由发射脉冲源、收发天线、取样接收及主机控制电路等组成，用来获得目标的回波信息；显示处理系统由工控机和探地雷达专用测量、处理软件组成，具备动态调试、实时图像连续显示和数据处理功能。

工作时，由发射脉冲发出的脉宽为毫微秒量级的视频脉冲，经位于地面上的宽带发射天线耦合到地下，当发射脉冲波在地下传播过程中遇到介质分界面、目标或其它局域非均匀体，一部分

脉冲能量反射回地面，由地面上的宽带接收天线所接收。取样接收电路在雷达主机取样控制电路控制下，按等效时间采样原理将接收到的高速重复视频脉冲信号转换成低频信号，送至显示系统进行实时显示和处理。实际探测过程中，天线沿地面移动，脉冲信号不断地被发射和接收，显示处理系统将A/D转换后得到的数字信号按一定方式进行编码排列及处理，以二维形式（横向是空间坐标，对应地面上的不同水平位置；纵向是时间坐标，表示回波信号的双程走时，对应于不同的深度）给出连续的地下剖面图像，在剖面中，不同介质或分界面将有异常显示，依此可对地下结构进行分析判断。 2、检测方法

对公路或隧道施工质量进行检测时，将探地雷达的发射和接收天线密贴于目标表面，雷达波通过天线进入介质层中，遇到材质有差别的混凝土、混凝土中间的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩石分界面、岩石中的裂面等产生反射，接收天线接收到反射波，测出反射波的入射、反射双向走时，就可计算出反射波走过的路

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发射脉冲接收电路 天线 工控机 雷达主机 TR 图1 探地雷达工作原理框图

程长度，从而求出天线距反射面的距离d：

1

d=V⋅∆t (1)

2

式中：d为天线到反射面的距离，cm；

∆t为雷达波的双程走时，ns；

V 为雷达波的传播速度，cm/ns； 对于介质中雷达波的传播速度，可近似由

V=

C0

ε （2）

图2 弧形顶面的检测

，ε为介质相对介电常数，如给出，式中C0 为雷达波在空气中的传播速度（30cm/ns）

空气的ε=1，水的ε=80，混凝土的ε在4～6之间。实际上，雷达波之所以会在物体界面产生反射，就是因为界面两侧介质的介电常数不同。

探地雷达在工作时,有连续测量和点测两种工作方式，连续方式具有检测点多、检测效率高的优点，而点测可通过选择消除背景、去除干扰、多次叠加等手段提高信噪比，增加识别目标的能力。实际检测时,一般首先选用连续测量方式对整个目标段进行普查，而后再对主要施工段和发现异常的地方使用点测方式重点检测。

深度嗻厘米嗼

0.000.00-20.00-40.00-60.00-80.00-100.00-120.00-140.00-160.00-180.00-200.00-220.00-240.00-260.00-280.00-300.005.0010.00桩 号

15.0020.0025.000.00-20.00-40.00-60.00-80.00-100.00-120.00-140.00-160.00-180.00-200.00-220.00-240.00-260.00-280.00-300.00

图3 利用点测方式得到的探地雷达图像（叠加32次）

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三、地下车库侧墙及地面探查试验

1、地下车库侧墙的施工质量检测试验

（1）地下车库侧墙施工的前期资料和检测目的

22所地下车库侧墙经一次浇铸而成，介质分布从上而下依次是2至5cm的花岗岩贴砖、30至100cm的整体墙体（里面布有网状钢筋）、填土层。

这次利用LTD-3系列探地雷达检测地下车库侧墙施工质量的试验，通过对检测图像进行处理分析，并与实际施工状况进行对比，对墙体厚度、混凝土的密实度、钢筋分布等指标进行评价，确定探地雷达的适用性、准确性。最后结合隧道施工的实际情况和检测要求，比如确定隧道的衬砌厚度、隧道衬砌背后未回填的空区、钢筋（骨架）分布、混凝土的密实度等项目，明确利用探地雷达进行隧道施工质量检测的工序、工作方式、资料处理和解释方法等。 （2）仪器的选择和连接

这次试验选择的新产品LTD-3型探地雷达是在原有LT-1型和LT-1A型探地雷达产品基础上研制成功的新一代全数字化产品，系统可针对用户的不同要求，即探测目标种类、深度和分辨率的不同，实现一套探地雷达主机与工作于不同中心频率和带宽的收发天线相匹配的功能。同时该系统所有控制都通过界面非常友好的中文菜单进行，操作简 便可靠性高，具有实时动态调试、图像连续显示、数据存贮、背景消除、点测波形堆积、快速回放、事后图象处理和识别及打印输出等功能。

天线的选择需兼顾目标深度、目标最小尺度及天线尺寸是否符合场地需要等因素，为保证墙体检测的垂向分辨率，这次试验选择具有较高中心频率的1000MHz天线，它可以识别5~10cm左右的薄层。

检测前需首先正确连接微机、雷达主机、天线和电源部分（见图5）。

图4 LTD-3型探地雷达

4

微 机

红色

黑色12V直流电 瓶

电源线

数据传输线

雷达主机

发射机脉冲线

32米电缆线

标记线

接收机收发天线

图5 LTD-3探地雷达实际连线示意图

（3）地下车库侧墙的检测和资料解释

考虑到墙体中的钢筋呈网状分布，检测时在水平和垂向上分别布置测线，

选择连续工作方式，获得了信息丰富的探地雷达图像（见图6，图9）。

图6 车库墙体的水平测线

图6 车库墙体的水平测线

在探地雷达的彩色显示图像中,利用不同的颜色表示反射波的强弱(见图7)。从图6探地雷达测得的时间剖面图像可以看到，层6-1的顶面与花岗岩贴砖的光滑表面相对应，图像显示与双程走时的零基线近乎平行，并且该

图7 由强至弱的颜色指示

层介质性质单一，反射波同相轴较为连续；层6-2至层6-4与包含有钢筋的混凝土层相对应,其顶面表现为有起伏的图像（反映了粗糙的表面变化）,其中层6-3表现出与周围介质的性质差异大,反射图像在彩图上呈现一个个强反射圆点，经带通处理后，

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该层显示出典型的双曲线图像（见图8），因此可以推知该层含有分布相对均匀的钢筋。

图8 呈双曲线显示的钢筋分布图（层6-3）

在由上至下测得的垂直测线（见图9）和处理后的剖面（见图10）也证实了以上分析，处理后的探地雷达剖面也清楚地出现双曲线显示，这证明整体浇筑混凝土框架内均匀分布有网状钢筋，符合施工设计的要求。

图9 车库墙体的垂直测线

图10 经带通处理后的探地雷达剖面

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2、地下介质分层探查试验 (1) 地下介质的分布和天线的选择

本所依山而建，综合测试楼前广场的地面从上而下依次是花岗岩广场砖、混凝土层、回填土、原状土或者原有的岩石层，并且地下分布有排水管道，是理想的探地雷达试验场地。针对地下的介质分布，兼顾薄层的分辨和较深层管道的探查，这次试验选择300MHz和500Mhz的天线。 (2) 地下介质分布的探查和资料解释

相对于隧道或涵洞的顶面和侧壁的测量，路基检测的实施要方便许多，连接好仪器，并在微机中使测量参数满足现场要求，选择连续或者点测方式后，只需将天线沿布置测线匀速拖行（见图11）即可。

这次试验利用300MHz和500Mhz的天线共测得4组对比数据，经过一维滤波、深度转换（速度取12cm/ns）等处理，得到与实际地下情况基本一致的深度剖面。

图11 地下介质分布的探查

图12是利用LTD-3探地雷达，配备300MHz天线，选择连续测量方式，在广场上由东至西侧得的（侧线长32米，图中给出测线的后20米）。彩图的前半段由上至下显示出能量逐渐减弱的双曲线，是典型的管道指示，经与基建工程师了解，该处分布有一排水管道；彩图的后半段有明显的下倾斜坡指示，这与广场修建前该处为倾斜的山坡相符合。

图12 利用探地雷达进行地下介质探查的彩色图像

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为了弄清地下管道的深度和对地下介质的垂向分布有一个定量的认识，本文对彩图进行了道标准化、静校正、频谱分析、一维滤波和深度转换（速度取12cm/ns）等一系列处理，得到探地雷达的深度剖面（见图13）。从图中可以看

深度嗻厘米嗼

0.000.00-20.00-40.00-60.00-80.00-100.00-120.00-140.00-160.00-180.00-200.00-220.00-240.00-260.00-280.00-300.00-320.00-340.00-360.00-380.00-400.005.0010.00桩 号

15.0020.0025.0030.000.00-20.00-40.00-60.00-80.00-100.00-120.00-140.00-160.00-180.00-200.00-220.00-240.00-260.00-280.00-300.00-320.00-340.00-360.00-380.00-400.00 图13 处理后得到的探地雷达深度剖面

到管道顶部大约在1.4米，后半段的斜坡指示变得更直观；在图的右上角位于斜坡之上的反射波周期增大，同相轴不连续，是回填土的雷达图像特征。

四、应用前景分析

1、与传统方法相比，利用探地雷达进行公路、桥梁、隧道施工质量检测,具有省时、省力且更为科学的优势；

2、当雷达波进入混凝土衬砌中，遇到钢筋、钢质拱架、混凝土中间的不连续面、混凝土与空气分界面、混凝土与岩石分界面、岩石中的裂面等等介质时会产生反射，通过对探地雷达实测图像进行分析处理，可精确确定介质分布和层厚度（在求准介质传播速度的前提下，误差控制在3%以内）；

3、利用探地雷达进行隧道掌子面前方地质预报，可比照地下介质分布探查试验，选择相对较低中心频率的天线（100-300MHz）来实施；

4、从地下介质分布探查试验试验中可以看到，探地雷达可准确探查10米以内的地下目标，可广泛应用于军事部门的安全检测、地下掩埋军械和凶器等，同时也可以在国民经济建设中的诸多领域，比如地质勘探、城建、文物考古、公路、机场和铁路等部门发挥重要的作用；

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5、从以上试验可以看出，目前的探地雷达对于浅层目标具有较高的垂向分辨率。对于深层目标，本所正在通过增大脉冲源强度、改善接收灵敏度和改进处理软件等攻关设法消除干扰和多次波的影响，研制新一代探地雷达仪，以满足现场的不同要求。

致 谢

本文是在多次的探地雷达室内外试验基础上完成的，青岛分所雷达项目部的全体同志参与了仪器设计、加工、试验和资料处理的整个过程，同时得到了兄弟单位的大力支持；另外，本文从许多与探地雷达有关的文章中汲取了“丰富的营养”，尤其是钟世航教授对大量隧道施工实例和检测技术的研究，使作者受益非浅，在此一并表示深深地感谢和敬意！

参考文献

[1] 李大心，探地雷达方法与应用，地质出版社，1994

[2] 钟世航，隧道衬砌质量的检测，四川隧道施工检测技术报告会材料，2002 [3] 范国新等，探地雷达原理、设计思想及其实现，电波科学学报，Vol.7,No.3,1992 [4] 戴前卫等，路面结构的地质雷达检测，工程地球物理学进展，P228，2000 [5] 高才坤等，地质雷达在公路厚度探测中的应用效果，云南大学出版社，P79，2001

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