Page 58 - 无损检测2025年第四期

王 斌：
SIR-4000 型地质雷达在隧道衬砌质量无损检测中的应用

空对电磁波波形及波场分布的影响，获取到脱空的 用电缆将信号传递至主机，主机承载数据采集与信
三维数据，对隧道衬砌进行了检测，推动了三维探 号保存的功能。隧道衬砌质量检测中使用频率为
地雷达在隧道衬砌脱空检测中的应用。舒志乐等 [6] 100 MHz的天线， 其探测深度通常为25~30 m。
分析了空洞病害信号的干扰因素，构建了隧道衬砌 SIR-4000 型地质雷达系统的参数包括天线频
空洞病害物理模型，准确地推断或计算出了病害的 率、探测深度、探头和输出数据格式等。系统可以配
方位。张湘桂等 采用天线垂直极化和尽量小的道 备不同频率的天线适应不同的探测深度和分辨率需
[7]
间距，将不同围岩等级的隧道二衬结构简化成双层 求。根据天线频率，雷达可以探测不同深度的地下
钢筋网和素混凝土结构两种形式，具有较高的检测 结构。100 MHz的天线能够提供较深的探测深度，
精度。 适用于隧道衬砌等较厚结构的检测。
文章将地质雷达技术作为探测手段，以浙江省 输出数据格式分为雷达剖面图和雷达图像，雷达
缙云县大仓山隧道为应用对象，依靠该隧道衬砌质 剖面图通常以电磁波传播的时间为横坐标，以天线移
量检测雷达图像，并利用电磁波反射时间与电磁波 动的距离为纵坐标，剖面图中的亮点表示反射信号的
传播速率计算衬砌深度，分析雷达波反射信号振动 强度，亮点越强，表示反射界面的介电常数差异越大，
幅度与反射系数的耦合关系，完成地质雷达隧道衬 对应图像中地质界面、空洞、脱空等异常。雷达剖面
砌无损检测。 图是地质雷达最常用的输出形式，显示了从雷达天线
发射的电磁波在地下结构中的反射和传播情况。雷
1 SIR-4000 型地质雷达差异化电信号检测 达图像是雷达剖面图的进一步处理结果，可以是二维
与转换 或三维图像，用于更直观地展示地下结构，图像可以

地质雷达隧道衬砌无损检测的关键是明确不空 通过叠加、切片、三维建模等处理技术生成。
洞区域介质的介电常数和周围密实材料的介电常数 2 基于差异化电信号的无损检测技术
之间的差异 ，并展现出对应特性，对此，在地下物
[8]
质介电常数不同的情况下，运用发射天线的高频电 地质雷达无损检测技术中，其数据采集的增益
磁脉冲波反射探测地下目标物体的物探策略 ，评 设置直接决定了信号发射质量，同时需要注意里程
[9]
定位问题，由此，可使用距离触发与时间触发两种策
估衬砌的实际状况。
使用放置在地面上的发射天线，将电信号转换 略，把地质雷达天线和隧道衬砌界面紧紧贴合 [10-13] ，
为高频电磁波，使用宽带短脉冲模式进行数据传输。 利用自动配置的介质增益系数，完成地质雷达无损
检测技术设计。
具有不同介电常数的介质对高频电磁波具有不同的
增益是最小可探测信号电压和最高发射电压的
抗波能力，在相反一侧反射的能量被天线接收并转
比率。地质雷达系统涵盖两种增益设置模式：手动
换为差异化电信号。差异化电信号检测与转换示意
设置与自动设置。由于隧道拱部通常极易生成空洞
如图1所示。
与脱空等病害，故检测时不在拱部设置增益，对此，
文章采用美国GSSI公司生产的SIR-4000型地
设定A 为地质雷达系统增益，P 为最小可探测信
质雷达系统，该系统硬件包含主机、电缆与天线。系 s min
号电压，P 为最高发射信号电压，得到
统中的天线不但能完成信号的发射与接收，还能利 0
 P 
A s =10lg  0  （1）
 P min 

此外还需使雷达天线远离干扰物体（如电线、金
属台架等）。
若现场挑选的增益地点存在显著脱空及空洞现
象，设置的增益值极有可能无法完成数据采集任务，
导致异常信号骤减或消失，同时，隧道衬砌表面不平
整，特别是隧道支护检测时，测距轮与衬砌架构表面
不够贴服而产生测距轮漏转，会导致数据记录精度
图 1 差异化电信号检测与转换示意 不高。而时间触发策略是在雷达天线移动时采取人
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2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测