隧道襯砌背后空洞的地質(zhì)雷達(dá)檢測試驗與模擬研究

唐 浩，李有福

(貴州順康檢測股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 前 言

地質(zhì)雷達(dá)屬于一種能夠?qū)Φ叵陆橘|(zhì)進(jìn)行利用，在廣譜電磁波方面具有不同影響的，能夠?qū)Φ叵陆橘|(zhì)分布情況進(jìn)行確定的地球物理技術(shù)。其主要是基于有線的隧道，在正常交通的時間限制下，地質(zhì)雷達(dá)在檢測的時候，由于其具備著直觀、高效的特點，是目前進(jìn)行隧道襯砌檢查的一個非常主要的手段。隨著近些年來，對于地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道襯砌質(zhì)量得到了進(jìn)一步的應(yīng)用，有很多的學(xué)者也都做了一定的研究。再根據(jù)大量的現(xiàn)場檢測方面的經(jīng)驗和雷達(dá)檢測方面的理論，很多的學(xué)者也都做好非常多的試驗與數(shù)值模擬方面的研究。而美國科研小組也在20年前，發(fā)現(xiàn)了具備1 400 MHz天線的地質(zhì)雷達(dá)能夠?qū)z測精度進(jìn)行統(tǒng)計，還能夠?qū)斩春突炷敛幻軐嵉那闆r等比較常見的病害方面的反射特征進(jìn)行探測。而本文則主要通過模型試驗以及模擬方面研究，并且對隧道襯砌素混凝土區(qū)空洞的情況，以及積水空洞的形狀進(jìn)行充分的考慮，還有整體尺寸的大小，包括埋深的情況等各種不同的因素會對雷達(dá)檢測造成影響，對雷達(dá)檢測圖像的特征情況進(jìn)行綜合的分析，這樣能夠為襯砌背后病害的現(xiàn)場檢測的工作提供更加豐富的辨識上的依據(jù)。

1 隧道襯砌模型和雷達(dá)檢測

1.1 試驗的模型

因為隧道襯砌在進(jìn)行施工的時候，二襯需要進(jìn)行設(shè)置的包括鋼筋和不設(shè)鋼筋兩種不同的類型，而應(yīng)用素混凝土區(qū)的時候，對于整個圍巖的級別要求較高，如果地質(zhì)情況比較理想，整個隧道襯砌中素混凝土區(qū)存在的病害不容易得到重視。而在進(jìn)行試驗?zāi)M隧道的時候，就有可能存在病害﹐所以需要做好檢測的工作再進(jìn)行相應(yīng)的分析。而整個試驗的模型需要調(diào)整尺寸為6.24 m×1.2 m×0.6 m，將初襯的厚度設(shè)置為20 mm，而二襯的厚度為40 mm，在初襯和二襯之間，需要布設(shè)好土工布和防水板，這樣才能夠更好的與真實工況更加的貼近，再應(yīng)用商品的混凝土來進(jìn)行澆筑。

1.2 試驗材料的選擇需要將空洞積水的不同情況做好充分的考慮

在應(yīng)用防水膠帶做好密封工作，而在進(jìn)行灌水的方法的設(shè)置的時候，主要選擇了無積水﹑部分積水、充滿積水的情況。與此同時，還要對雷達(dá)對于整個空洞的檢測精度進(jìn)行深入的分析，并且針對小球和PVC管的情況，包括具備不同尺寸，也就是直徑基于不同的埋深狀態(tài)來進(jìn)行相應(yīng)的對比。對于球形、橢球形，還有就是心形的塑料小球進(jìn)行選擇，并且需要探究立方形的塑料盒以及PVC管，對于空洞的雷達(dá)檢測效果所產(chǎn)生的影響。為了能夠更加全面的對整個空洞病害存在的檢測辨識存在的規(guī)律，需要充分結(jié)合其形狀、尺寸、埋深、積水等不同的狀態(tài)，對于會影響到布設(shè)情況的因素，進(jìn)行綜合的考慮。

1.3 做好地質(zhì)雷達(dá)的檢測

通過應(yīng)用意大利的RIS地質(zhì)雷達(dá)，還有600 MHz的屏蔽天線，包括K2FastWave的數(shù)據(jù)采集軟件等系統(tǒng)，應(yīng)用剖面法，來做好數(shù)據(jù)采集的工作，包括調(diào)整天線的頻率為600 MHz，再調(diào)整發(fā)射器和接收器的之間的間距，將其調(diào)整成為0.1 m，再分別將整個測點間調(diào)整成為0.01 m，而時窗則為40 ns，整體的采樣率設(shè)置為512樣/掃描，再利用專用的地質(zhì)雷達(dá)處理的軟件，即Launch CREDHD來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣才能夠得到整個地質(zhì)雷達(dá)時間深度。

1.4 圓柱形空洞

當(dāng)直徑為20 mm的時候，并且在埋深180 mm，則通過600 MHz的天線是檢測不出空洞的，而相同直徑的含水空洞，則在進(jìn)行埋深200 mm的時候，整個反射波組是比較明顯的。空洞如果存在積水的話，則很有可能因為反射界面中的電常數(shù)差異比較大，而出現(xiàn)更明顯的反射，這樣就更便于進(jìn)行檢測。而在進(jìn)行實際檢測的時候，如果為含水的直徑20 mm尺寸左右的空洞，是比較難進(jìn)行識別的，這種情況往往需要通過對整個雷達(dá)圖，進(jìn)行細(xì)致的觀察和處理，這樣才能夠滿足檢測小尺寸空洞的目標(biāo)。對于整個盒子形的空洞，可以發(fā)現(xiàn)的是沿著測線的方向，則有比較大的空洞尺寸，也就是試驗中的寬度和半徑，這種情況下病害的反射波波形特征就比較明顯。

2 正演數(shù)值的模擬

2.1 二維空間存在的FDTD差分

通過應(yīng)用Yee差分的格式，主要是通過Maxwell的方程角度，就能夠得到相應(yīng)的2個旋度方程式，再根據(jù)Yee差分格式的差異，來進(jìn)一步建立出矩形差分網(wǎng)格，這樣能夠保證得到二維Yee元胞。

2.2 進(jìn)行模型的結(jié)果分析

通過相應(yīng)的數(shù)值模擬的方式，并應(yīng)用GPRMAX2D的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)的是對于整個試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行相應(yīng)的仿真與分析，之后就能夠發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的建模圖形，包括存在的地質(zhì)雷達(dá)模擬剖面圖。在這其中的23，25號空洞試驗的時候，主要應(yīng)用的是心形的空洞，特別是在建模的過程中，可以將心形截面來采用三角形進(jìn)行代替。再利用圓形、矩形、三角形、橢圓形等不同的空洞尺寸，包括埋深程度的差異，以及其不同的含水量方面的情況，就可以對研究結(jié)果進(jìn)行模擬，之后就可以得出相應(yīng)的結(jié)論，也與試驗的檢測結(jié)論基本不存在差異。

由于空洞整體埋深較大，則整體的尺寸越小，而卻反射波波組所體現(xiàn)出的相關(guān)特征就會越微弱。并且，如果是尺寸比較相近的幾種空洞，在反射波波組的反射強度方面就會存在著差異，也就是矩形截面要大于圓形截面，圓形截面大于橢圓形截面，橢圓形截面又大于三角形截面。整個尺寸相較于矩形截面來說，反射波組呈現(xiàn)的是同相軸特征，也體現(xiàn)出了雙曲線型和圓形是比較類似的。

如果在空洞中存在積水的情況，就很可能會出現(xiàn)多次的反射，這之后還可能會出現(xiàn)3個相對來說比較明顯的反射界面。之后在電磁波水介質(zhì)中，也會導(dǎo)致傳播時整體的衰減更加的迅速。相比于空洞積水的波組圖來說，整體的反射波組是比較明顯的，但是反射界面卻不十分明顯，所以可以初步判斷其是由于模擬介質(zhì)是一種理想的介質(zhì)，而整個反射界面卻比較直觀明顯。相對而言整體的試驗?zāi)Ｐ徒橘|(zhì)情況是比較復(fù)雜的，而且整個反射波組也會呈現(xiàn)出比較多次的反射。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過試驗和模擬進(jìn)行論證、對比之后，能夠發(fā)現(xiàn)的是模擬所得到的結(jié)論和整個試驗的結(jié)論基本上是能夠吻合的，而且得出的結(jié)論對于襯砌空洞病害進(jìn)行現(xiàn)場檢測的過程中，以及進(jìn)行雷達(dá)圖像的識別都有著非常重要的參考價值。對于襯砌背后空洞所產(chǎn)生病害，而對整個反射波波組特征，包括反射波的強弱情況，以及整個空洞的形狀、尺寸、埋深，包括積水狀態(tài)，都有著非常密切的關(guān)系，為了能夠更好的為現(xiàn)場的檢測工作，也就是雷達(dá)圖像的識別提供一定的參考依據(jù)。