隧道衬砌模型的空间结构属于典型的层状分布,采用探地雷达进行隧道二衬检测时,往往很难识别高度小于调谐厚度的脱空。通过建立含有脱空薄层的隧道二衬层状几何模型,结合电磁波在隧道衬砌中的传播规律,给出了隧道衬砌检测时电磁波的反射模型,并推导了其广义反射系数谱域表达式,从而提出一种根据反射系数序列频谱估算隧道二衬厚度及脱空高度的反演方法。通过分析反射系数序列的幅度谱属性,进一步提出一种估计脱空层高度的快速方法,即根据幅度谱凹陷周期确定脱空层双程走时,进而估算脱空层高度。最后,利用1st Opt数学优化分析软件进行全局优化,并反演求解各参数。物理模型实验及现场应用实例的处理结果表明,当脱空厚度小于1/4波长时,本文所述的频谱反演法仍能准确反演出二衬厚度及脱空层高度,从而提高了探地雷达资料的垂直分辨率。