隧道运营期间常出现的病害有衬砌空洞、脱空、渗漏水、衬砌变形或位移、衬砌混凝土腐蚀或剥落开裂等,对隧道安全构成了威胁。识别这些病害对隧道安全评价和维护加固有重要意义。探地雷达(GPR)方法是利用高频电磁脉冲的反射波来探测地下目的体分布形态及特征的一种无损检测技术,具有快速高效、结果直观等优势。由于隧道衬砌病害复杂以及对探地雷达技术认识的不足等原因,衬砌病害的探地雷达识别仍存在精度差、依赖经验、自动化程度低等问题。对此,本文以探地雷达二维正演数值模拟和模型试验相结合的方法研究衬砌病害的探地雷达识别,并以工程实例讨论探地雷达检测技术的应用情况。首先,介绍了探地雷达方法的原理和技术参数,总结了探地雷达常用数据处理方法,对这些数据处理方法的原理、应用条件等作了阐述,对雷达图谱的解释方法作了说明。其次,用二维时域有限差分法(2D-FDTD)进行衬砌病害正演数值模拟。以Maxwell方程理论为基础,以TE波为例,推导二维时域有限差分方程,选用Mur二阶近似吸收边界条件和Ricker子波激励源,应用Matlab编制正演程序。建立衬砌空洞、积水、脱空、层间积水、钢筋和钢筋后方空洞等病害的数值模型,通过正演得到探地雷达图谱,研究病害的响应特征。为了与病害的正演图谱相互验证,制作衬砌空洞及积水的混凝土二维物理模型,应用探地雷达系统进行扫描,使用Matlab工具处理模型试验图谱,分析空洞及积水的响应规律,并将得到的试验结果与正演图谱相互对比分析。最后以运营隧道为工程实例,应用探地雷达检测衬砌病害状况,通过对雷达图谱的分析,得到病害的统计结果和分布规律,以此为依据对隧道衬砌安全状况进行评价。研究结果表明：FDTD方法是探地雷达正演模拟的有效方法；通过正演模拟得到了隧道病害的图谱规律,提高了衬砌空洞、积水、脱空、钢筋后方空洞等病害识别的准确度；空洞及积水的正演图谱和模型试验图谱基本一致,也证实了本文所用方法的有效性；基于对病害正演和试验的认识,分析运营隧道的雷达检测结果,得到了病害分布的定性和定量结果,为该隧道衬砌安全等级评价和加固提供了依据。