在隧道的修建过程中，往往因地质条件复杂、施工环境恶劣、施工工艺及其他问题，往往容易造成隧道衬砌在修建过程中留下空洞、脱空、不密实等不良病害。因此，加强对隧道衬砌异常体响应特征的识别，对确保隧道衬砌探测图谱的正确解译以及提高探测结果的可靠性具有着重要的意义。首先，从电磁场理论出发，研究了电磁波在有耗介质及多层介质中的传播特性。通过分析小目标体在B-scan中的回波信号，验证了小目标体在探地雷达的回波信号呈现双曲线的传播特征。其次，利用目标体与探测环境的电性差异，通过时域有限差分法（Finite Difference Time Domain， FDTD）对衬砌内部横向直径变化的空洞进行正演模拟，分析了空洞横向直径变化对电磁波反射响应特征影响。结果表明：随着空洞横向直径的增大，空洞正演合成图由双曲线逐步向矩形变化。为正确识别衬砌空洞缺陷图谱特征提供了支持。再次，设计了一个孔壁上开有长方形和圆形小孔的圆柱体混凝土模型，测试探地雷达在规则空洞的反射响应特征。发现空洞的反射响应特征为双曲线，这与正演模拟的结果相符。为识别雷达图谱提供有效的支持，提高了后续解译的可靠性。在充分认识探地雷达电磁波在有耗介质、多层介质中的传播特征以及衬砌空洞的正确识别的基础上，在正演模拟与物理模型试验的支持下，将探地雷达应用于某隧道的衬砌及二衬的层厚探测，实现了对不密实、空洞、连续脱空以及三角脱空等四种主要的结构缺陷的图谱解译，提高了地质雷达在隧道衬砌检测中的可靠性。