探地雷達襯砌檢測典型缺陷圖像特征研究

劉藝瑋

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

探地雷達近年來在工程檢測領(lǐng)域中的使用急速增加，特別是在一些重要工程項目中，質(zhì)量檢測廣泛采用雷達技術(shù)。鐵路公路隧道襯砌、高速公路路面、機場跑道等工程結(jié)構(gòu)普遍采用地質(zhì)雷達檢測。隧道襯砌作為支持和維護隧道長期穩(wěn)定和耐久性的永久結(jié)構(gòu)物，若是存在空洞、不密實等缺陷會將會對襯砌結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性產(chǎn)生顯著影響，造成大量人力、物力的浪費。因此，在進行襯砌無損檢測中，能夠快速準確的指明襯砌缺陷類型與位置并進行相應的處治，可以降低在后續(xù)施工與運營中發(fā)生災害的風險。本文利用gprMax正演模擬軟件對隧道襯砌無損檢測中典型缺陷圖像特征進行研究。

1 基本原理

1.1 探地雷達基本原理簡介

探地雷達利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接受來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中的傳播性質(zhì)會由于材質(zhì)物理性質(zhì)的改變而發(fā)生變化，因此，根據(jù)電磁波的傳播特性的變化，可以推測傳播介質(zhì)中引起電磁波傳播特性變化的物體所在的位置。

探地雷達的電磁波在介質(zhì)中傳播的速度可近似表示為下式：

式中：c為電磁波在空氣中的傳播速度，為3×108m/s；εr為傳播介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

1.2 GprMax正演模擬原理簡介

GprMax是一款被設(shè)計用于模擬探地雷達或是其他類型電磁波傳播的軟件。通過基于有限差分時域(FDTD)原理將空間和時間離散化，在3D空間中利用Yee算法求解耦合的三維Maxwell旋度方程：

(1)

(2)

Yee算法在時間與空間中同時求解方程，所離散的Yee元胞如圖1所示。Yee元胞使每一個磁場分量由四個電場分量環(huán)繞的同時使每一個電場分量由四個磁場分量環(huán)繞，滿足法拉第感應定律和安培環(huán)路定律，并是電場與磁場在時間上交替抽樣[1]，并不斷循環(huán)直至完成時間步進過程。

圖1 Yee元胞示意

2 襯砌空洞缺陷正演模擬

襯砌空洞往往是由于混凝土收縮、流動性差、初支不平整、施工工藝等問題造成，在襯砌缺陷中較為常見。正演模擬中對材料設(shè)置的相對介電常數(shù)如表1所示。

表1 正演相對介電常數(shù)取值

2.1 空洞類型一

本部分主要為了模擬襯砌空洞缺陷中最為常見的類型，需要注意的是由于襯砌內(nèi)形成的空洞形狀往往并不是規(guī)則的幾何圖形，為了研究缺陷圖像的共同特點，這里將空洞形狀簡化為圓形，內(nèi)部由空氣填充，并將襯砌中較為常用的鋼拱架簡化為圓形，模型示意圖如圖2所示。模擬時天線在模型上方從左至右移動。

圖2 空洞類型一模型

正演模擬結(jié)果如圖3所示。從正演模擬結(jié)果可以看出，在因內(nèi)部鋼拱架與模型表面造成的強反射帶中間，在模型中對應的空洞位置處也出現(xiàn)了數(shù)條強烈的反射帶。在該強反射帶內(nèi)，不難看出，最上方的反射波是由于圓形空洞的上表面造成的，其下方存在數(shù)條反射波，形狀均為向上彎曲的曲線形狀。

圖3 空洞類型一正演模擬結(jié)果

2.2 空洞類型二

在隧道二次襯砌的施工中采用泵送混凝土工藝時，若是由于拔管、停泵過早，會在襯砌中產(chǎn)生典型的接近于三角(弧)形空洞。此類型空洞更傾向于出現(xiàn)在拱頂二次襯砌接縫處[2]。模型中將空洞形狀簡化為三角形(圖4)。天線于模型上方自左移動至右方。

圖4 空洞類型二模型

模擬結(jié)果如圖5所示從模擬結(jié)果看出，在模型中空洞的位置處同樣出現(xiàn)了一條向上彎曲的反射波，反射波曲線的頂點對應的是三角形空洞的上頂點位置?？斩吹倪吔缗c反射波對應的右半部分均為直線，并且在該條反射波下面(可見有反射波的存在。

圖5 空洞類型二正演模擬結(jié)果

3 襯砌不密實缺陷正演模擬

襯砌不密實往往是由于振搗不均勻或是回填物不密實造成的，同樣也是常見的襯砌缺陷之一。襯砌不密實往往出現(xiàn)在襯砌內(nèi)部或是襯砌背部。采用的模擬的基本參數(shù)同表1。

建模中，將不密實缺陷視為在混凝土材料中出現(xiàn)的數(shù)個小型空洞，內(nèi)部由空氣填充，模型示意圖如圖6所示。模擬時天線在模型上方從左至右移動。

圖6 不密實模型

正演模擬后的結(jié)果如圖7所示。綜合前面對于空洞模擬圖像的分析，結(jié)合模擬結(jié)果，可以看出，首先在模型內(nèi)部空洞出現(xiàn)的最上方位置，出現(xiàn)了典型的向上彎曲的反射波，但是由于其下方襯砌介質(zhì)并不均勻(有空洞重復出現(xiàn))，因此下方的反射波極為雜亂，并且同相軸錯動毫無規(guī)律性，完全有別于單個空洞出現(xiàn)的情況。

圖7 不密實正演模擬結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過對襯砌典型缺陷進行模擬，對典型缺陷的圖形特點進行研究，從而對實際檢測中圖像解譯提供參考。對通過綜合分析三次正演結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)當襯砌內(nèi)出現(xiàn)空洞缺陷時，在空洞與襯砌的交界面處會出現(xiàn)強烈的反射波，且一般情況下其下方會有反射波存在。

(2)當襯砌內(nèi)出現(xiàn)不密實缺陷時，該出圖像主要特征為該段內(nèi)出現(xiàn)強反射，并且同相軸錯斷毫無規(guī)律性。

(3)對比三次模型與正演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，圖像中強反射帶出現(xiàn)的范圍與原模型中缺陷位置的范圍存在一定的差異，僅憑缺陷圖像準確的判定出襯砌缺陷范圍是較為困難的，因此在實際情況下需要檢測人員多依靠自身經(jīng)驗來進行判斷。

本次模擬仍然存在一定的不足：

(1)實際的襯砌缺陷(空洞、不密實)形狀往往并不規(guī)則，因此在實際檢測中，缺陷圖像往往也不是規(guī)則的。僅憑模擬很難兼顧到各種缺陷情況。

(2)在實際的檢測過程中，通過調(diào)整雷達增益、濾波等手段使圖像層次更加清晰，但是本次模擬中沒有考慮這些因素。