隧道衬砌缺陷的地质雷达三维成像检测与量化评估方法

一、引言

隧道工程在交通基础设施建设中占据重要地位，随着我国隧道建设规模不断扩大，隧道的长期安全稳定运行成为关键问题。隧道衬砌作为保障隧道结构安全和使用功能的重要组成部分，在施工过程中可能因地质条件复杂、施工工艺不当等因素产生空洞、裂缝、不密实等缺陷 。这些缺陷若不及时发现和处理，会随着时间推移逐渐发展，导致衬砌承载能力下降，甚至引发隧道坍塌等严重事故，威胁人员生命安全和造成巨大经济损失。

地质雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）凭借其非接触、高分辨率、检测速度快等优势，已成为隧道衬砌缺陷检测的常用技术。传统的地质雷达二维检测只能获取隧道衬砌某一断面的信息，难以全面反映缺陷的空间分布特征。而地质雷达三维成像检测技术能够构建隧道衬砌的三维图像，直观展示缺陷的立体形态，结合量化评估方法可准确确定缺陷的规模和位置，为隧道病害治理提供更精准的依据。因此，研究隧道衬砌缺陷的地质雷达三维成像检测与量化评估方法具有重要的现实意义。

二、地质雷达检测原理

地质雷达利用高频电磁波在不同介质中传播时的反射特性来探测目标体。当发射天线向隧道衬砌发射高频电磁波时，电磁波在传播过程中遇到介电常数差异较大的界面（如衬砌与空洞、衬砌与围岩的界面）时，部分电磁波会发生反射，反射波被接收天线接收 。通过记录反射波的传播时间、幅度和相位等信息，结合已知的电磁波在衬砌材料中的传播速度，可计算出反射界面的深度，从而推断隧道衬砌内部是否存在缺陷以及缺陷的位置和形态 。

电 c 的传播速度 v 与介质的相对介电常数 ε_r 相关，其关系为 ，其中 c 为真空中的光速 。不同介质的相对介电常数不同，例如混凝土衬砌的相对介电常数一般在 6 - 12 之间，而空气的相对介电常数接近 1，当电磁波从混凝土进入空洞时，会产生明显的反射信号，在地质雷达图像上表现为强反射波 。

三、隧道衬砌缺陷的地质雷达三维成像检测方法

（一）检测前准备

1.设备选型与参数设置

根据隧道衬砌的厚度和材质，选择合适中心频率的地质雷达天线。一般来说，检测较薄的衬砌（小于 1 米）可选用 400 - 900MHz 的天线，检测较厚的衬砌（1 - 3 米）可选用 100 - 400MHz 的天线 。同时，合理设置检测时窗、采样间隔等参数，确保能够完整采集到衬砌内部的反射信号。

2.现场勘察与测线布置

对隧道现场进行详细勘察，了解隧道的施工资料、地质条件等信息。根据隧道的结构特点和可能存在缺陷的部位，合理布置检测测线。在隧道衬砌表面沿纵向、横向和环向布置测线，形成网格状测线网，以实现对衬砌的三维检测 。测线间距根据检测精度要求确定，一般纵向和横向测线间距为 0.5 - 1 米，环向测线间距为 1 - 2 米。

（二）数据采集

将地质雷达设备安装在检测车上或由人工手持，沿预定测线匀速移动进行数据采集。在采集过程中，保持设备稳定，确保数据的准确性和连续性。为避免数据重复或遗漏，可在隧道衬砌表面做好标记，记录每条测线的起始和终止位置 。同时，采集过程中实时观察雷达图像，若发现异常信号，可适当加密测线或进行重点检测。

（三）数据处理与三维成像

1.数据预处理

对采集到的原始数据进行预处理，包括去除背景噪声、增益调整、滤波等操作 。使用带通滤波去除高频和低频噪声，通过时间增益补偿（TGC）调整不同深度反射信号的强度，使雷达图像更清晰。

2.三维成像构建

利用专业的地质雷达数据处理软件（如 ReflexW、GPRSLICE 等），将多条测线的数据进行整合，构建隧道衬砌的三维数据体 。通过软件的三维可视化功能，从不同角度观察衬砌内部结构，直观呈现缺陷的空间分布形态。

四、隧道衬砌缺陷的量化评估方法

（一）缺陷识别

在地质雷达三维图像中，根据不同缺陷的图像特征进行识别。空洞在图像上表现为强反射信号，反射波同相轴连续且能量强；裂缝表现为不连续的反射信号，反射波相位发生变化；不密实区域的反射信号相对较弱，同相轴模糊 。结合二维切片图像和三维立体图像，综合判断缺陷的类型。

（二）缺陷位置确定

根据测线布置信息和数据采集时的位置标记，确定缺陷在隧道衬砌中的具体位置。在三维图像中，可精确获取缺陷在纵向、横向和环向的坐标，明确缺陷所在的隧道段落、衬砌部位（如拱顶、拱腰、边墙等） 。

（三）缺陷规模量化

1.面积与体积计算

对于空洞和不密实等缺陷，通过在三维图像中勾勒缺陷边界，利用软件的测量功能计算缺陷的平面面积和体积 。在计算过程中，可根据缺陷的形状进行适当的简化和近似，确保计算结果的准确性。

2.裂缝长度与宽度测量

对于裂缝缺陷，在二维切片图像中测量裂缝的长度；通过分析裂缝反射信号的特征，结合电磁波传播理论，估算裂缝的宽度 。对于较宽的裂缝，可采用钻孔取芯等方法进行验证和精确测量。

五、案例分析

在某高速公路隧道运营检测中，采用地质雷达三维成像检测与量化评估方法对隧道衬砌进行检测。检测发现隧道 K10+200-K10+250 段拱顶存在一处空洞缺陷，在地质雷达三维图像中，该空洞呈现明显的强反射区域，边界清晰 。通过量化评估，确定空洞的平面面积约为 3 平方米，体积约为 1.5 立方米，位于拱顶中心位置，距离衬砌表面深度约 0.3 米 。根据检测结果，施工单位及时采取注浆填充等措施进行处理，消除了安全隐患，保障了隧道的安全运行。

六、结论

地质雷达三维成像检测与量化评估方法为隧道衬砌缺陷检测提供了一种高效、准确的技术手段。该方法通过构建隧道衬砌的三维图像，能够全面、直观地展示缺陷的空间分布特征，结合量化评估方法可精确确定缺陷的类型、位置和规模。在实际工程应用中，该方法已取得良好的检测效果，为隧道病害治理提供了可靠的依据。

然而，地质雷达检测结果受衬砌材质均匀性、地下水等因素影响较大，未来还需进一步研究如何减少干扰因素的影响，提高检测的准确性和可靠性。同时，随着计算机技术和信号处理技术的发展，应不断优化地质雷达三维成像和量化评估算法，推动隧道衬砌缺陷检测技术向更高水平发展，为隧道工程质量保障和安全运营提供更强有力的支持。

参考文献

[1]李道京,高敬涵,崔岸婧,等.相干探测激光雷达性能分析和三维成像阵列探测器研究[J/OL].光学学报(网络版),1-6[2025-05-31].http://kns.cnki.net/kcms/detail/31.6001.O4.20250528.1549.002.html.

[2]陈洋,刘博,陈健颖,等.单光子激光雷达压缩感知三维成像技术研究[J].半导体光电,2025,46(01):113-121.DOI:10.16818/j.issn1001-5868.20240919002.

[3]房梦岩.基于条纹管的高精度激光雷达三维成像技术研究[D].中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所),2024.