唐嘉洪

（广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635）

0 引言

探地雷达主要采用时间域脉冲雷达，通过将宽频带脉冲发射至地下介质内，并接收反射信号以达到探测地下介质的目的。随着电子技术的快速发展，地震勘测技术日趋成熟，探地雷达检测技术也取得突破性进展，相继应用于中国水利、建筑、地矿、铁道、环境勘察、地下水污染等领域，成效十分显著。但是由于地下介质的复杂性、无规律性、非均质性等特征，探地雷达检测过程和结果受到诸多因素的干扰和影响，为此必须从其工作原理出发，加强影响因素分析及过程控制，保证检测结果的准确。

1 探地雷达工作原理

1.1 工作原理

探地雷达主要根据不同介质电磁属性方面的差异，使雷达反射回波波长、波幅、波形等方面存在差异及变化，利用这种差异和变化对所检测对象质量做出评价。在检测过程中，主要通过雷达上的发射天线向待检测介质内部发射高频脉冲电磁波，电磁属性经过缺陷区域时会发生变化，导致部分电磁波发生反射，接收天线接收到反射回波后便可判断出缺陷所在区域、缺陷尺寸及类型。这一过程详见图1。

图1 测量位置与所对应的探地雷达剖面记录示意图

式中：ε1、ε2—界面上下介质相对介电常数。

观察式（1）可以看出，若介质中介电常数差异较大，则电磁波在抵达界面的同时必将发出反射回波信号；考虑到空气、水分、混凝土、钢筋等不同材料具有不同的介电常数，便能根据反射回波信号的变化探测出结构中存在的灌浆不密室、空洞、积水等缺陷。

1.2 探地雷达数据处理

在进行水利水电工程灌浆施工质量检测时，注浆材料、钢筋、混凝土形状及尺寸等因素会对探地雷达图像造成较大干扰，为此，必须应用Matlab软件进行水利工程回填灌浆空洞数值模拟，辅助识别雷达剖面图像特征，增强数据处理及解释的准确性。

概括和体现宏观电磁场变动趋势规律的Maxwell旋度方程主要基于Yee氏网格进行差分方程推导，并得出显式差分格式方程，该方程推算空间电磁场变化规律的依据主要是时间步长，且为达到分析过程的稳定及结果的准确，要求时间步长必须小于电磁波传播所对应空间步长耗费的时间，若以上条件无法满足，则必将造成电磁波传播因果关系的破坏。

假设存在两组不同类型的信号，一组为有效信号和干扰信号所组成的混合信号，另一组单纯为干扰信号，将第一组信号和第二组信号相减所得出的信号为单纯的有效信号。从理论上而言，在以上相减的过程中，如果两个干扰信号振幅、频率及变动方向完全相同，则相减后仅得出有效信号；如果两个干扰信号变动方向不同但振幅、频率完全一致，则相减后的信号中既包括有效信号，也包括干扰信号，并且有效信号将得到大大增强。

2 工程应用

2.1 工程概况

潮州市韩江鹿湖隧洞引水工程作为韩江榕江练江水系连通工程的重要组成部分，主要发挥着连通韩江与枫江的作用，引水线路长7.75 km，引水流量设计值为46.52 m3/s，属于Ⅱ等大（2）型工程。根据设计图纸，该引水隧洞总长度为7 707 m，隧洞内径7.80 m，二衬与管片间盾构段及二衬与初支间钻爆段二次衬砌混凝土厚度分别为45、50 cm。根据设计文件要求，采用探地雷达法进行该隧洞引水工程隧洞回填灌浆质量检测，重点检测二衬与初支间（钻爆段）、二衬与管片间（盾构段）是否存在脱空现象。

2.2 探地雷达检测

2.2.1 检测方法

采用美国GSSI公司研发的信噪比高、测量速度快、可连接使用多种频率天线的SIR-20型探地雷达检测系统，该设备设计增益范围-20～+100 dB可调，数据采集率800线/s，数据输出格式为8位/16位可选。该检测系统主要由微型计算机控制，能够实现实测剖面数据的实时显示、记录与分析，并能与微机工作站联网后实时传输数据，并主要在工作站完成数据后处理。将通过探地雷达所收集到的原始数据全部输入计算机处理系统后，经由RADAN后处理软件对初始数据展开分析、滤波处理以及振幅均衡消散处理后，形成地质解释用剖面，从而得出最终检测结果。

根据检测方案，各检测洞段现场检测测线均顺洞轴线方向布置，同时沿洞室拱顶60°范围内平行设置三条探地雷达测线，分别位于拱顶以及左、右拱处，具体见图2。

图2 探地雷达检测测线布置截面图

该引水隧洞二衬回填灌浆施工质量检测主要委托项目所在省某物探技术开发工程公司实施，为100%第三方检测，检测范围为引水隧洞主洞K0+069～K7+707洞段。结合委托要求，检测方及时安排专业技术人员进场开展检测工作，于2021年3月22日至4月19日实施全线初检，共检测隧洞里程数和剖面总长度分别为7 519、22 557 m；2021年4月28日至4月30日主要针对初检中所查出的脱空缺陷由施工单位实施补注浆处理后展开复检，复检隧洞里程1 000 m，探地雷达测线工作量共为3 000 m。初检和复检共完成检测剖面长度25 557 m。初检和复检完成工作量情况具体见表1和表2。

表1 引水工程主洞探地雷达法初次检测工作量统计表

表2 引水工程主洞探地雷达法复检工作量统计表

2.2.2 检测结果

根据探地雷达时间剖面，本次检测数据分辨率和信噪比均较高。结合同类型工程检测实践，应按以下原则进行此次探地雷达检测成果解释：二衬与初支之间的脱空异常使得两者界面反射波振幅显著增强，随着脱空体厚度的增大，反射波振幅持续增强；严重脱空区域实测剖面对应部位存在数次反射；无脱空部位各层位界面反射波表现为同相轴连续特征，振幅变化小。检测深度内电磁波波速均值达到0.12 m/ns。根据对检测结果的对比分析，在无病害体发育部位，探地雷达反射波信号频率并不发生明显波动，振幅强度也基本一致。

根据受托方检测单位所出具的报告，此次对韩江鹿湖隧洞引水工程隧洞二衬拱顶回填灌浆质量所实施的探地雷达检测范围几乎覆盖整条隧洞，仅局部地段因渣料堆积、电缆干扰等原因，不具备测试条件而未能检测。此次检测隧洞主洞里程7 519 m，初检和复检共完成检测剖面长度25 557 m。检测结果如下：①初检确定出的脱空发育洞段为钻爆段：0+260～0+360段、1+070～1+160段、2+560～2+610段；盾构段：5+370～5+450段、5+740～6+420段。②施工单位将上述脱空发育洞段补灌浆处理后，检测单位又于2021年4月28日至4月30日对脱空发育洞段展开复检，根据复检结果，初检过程中所查出的脱空洞段已不存在脱空异常。

3 结论

综上所述，探地雷达属于无损原位测伤技术，具有快捷、准确、安全、高效等优势，应用领域也在持续拓宽。探地雷达抗电磁干扰能力强，适用于各种噪声、辐射及污染环境，探测深度和分辨率与相关规范所规定的标准值十分接近，只需在探测现场按要求施测，便能直接得到实时剖面记录，通过相关数据后处理软件进行数据存储、处理，以上全过程均可由便携式微机实施控制，工效高。但是，电磁波在探测介质中传播存在消耗性以及介质的非均质性，测试结果缺乏地质解释模型而主要凭借人工研判，为保证测试结果的准确，最好结合使用其他物探技术，综合探测。