非接觸式地質雷達正演模擬試驗研究

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

引言

隨著越來越多的隧道的建設和運營，截至2014年，我國已建成12404座/10756.7公里公路隧道；又據國家規劃預測，未來其規模仍將持續增加。隧道襯砌質量檢測，特別是運營隧道質量檢測，目前市場上的傳統方法的對于隧道襯砌質量檢測時速度慢，效率低，人力成本高且存在安全隱患，因此，在我國公路隧道面臨長期、繁重、艱巨的養護任務的背景下，本文作者研究非接觸式地質雷達用于隧道襯砌質量檢測。

一、基于FDTD的gprmax軟件的正演模擬：

FDTD(Finite-Difference Time-Domain)是1966年K.S.Yee發表的一篇論文建立起來的，后被稱為Yee網格空間離散方式。核心思想是把帶時間變量的Maxwell旋度方程轉化為差分形式，模擬出電子脈沖和理想導體作用的時域響應[1]。GprMax是一款基于FDTD的開源程序，本文使用GprMax v2.0版本中的2D模式，通過編寫后綴為.in的輸入文件，進行模擬運算，生產后綴為.out的輸出文件，再利用Matlab讀取輸出文件進行成像[2]。具體步驟如下：

(1)依據實際需求建立模型，用記事本編寫輸入文件。相關命令語句參見GprMax中英文說明書。文件命令參照最好使用自帶例子進行改寫，以免運行出錯。

(2)使用GprMax2D運行輸入文件注意文件路徑必須全英文，否則將會出錯。

運行后GprMax2D會生成一個后綴為.geo的幾何信息文件和一個后綴為.out的二進制輸出文件。注意最好將這兩個文件放入tools文件夾下，即與Matlab成像所需的幾個后綴.m的文件放在一起，以免出錯。

二、正演模擬的實現

模型1幾何結構如圖1所示(其他模型幾何結構類似圖略)，雷達天線取400MHz頻率，綠色部分為空氣層，紅色部分為混凝土及藍色表示鋼筋，不同介質的電磁學特性均按常規取值，幾何參數按照下表取值。圖2分別為6個模型的雷達圖，上排為原圖像，下排為經過圖像后處理的雷達圖。

表1 針對不同保護層厚度以及鋼筋直徑建立模型表

a.模型1 b.模型2 c.模型3

a.模型4 b.模型5 c.模型6

由以上圖像看出，本文采用的后處理方法對于正演模擬圖像效果明顯，經過圖像后處理，可以看到明顯的鋼筋圖像雙曲線特征，并且通過尖角可以定量分析出鋼筋根數，通過雷達圖像中雙曲線頂點的時程可以計算出保護層厚度。但對于不同鋼筋的直徑，400MHz天線并不能有效區分。本文通過GPRMAX軟件，成功建立了相關工況下非接觸式雷達檢測公路隧道襯砌，特別是經過有效的圖像后處理建立了針對頭層鋼筋的典型雷達圖，為今后的非接觸式雷達檢測隧道襯砌打下基礎。

[1]呂高.公路隧道襯砌缺陷幾何形態及填充物FDTD 正演分析[J].巖石力學與工程學報.2014，33(7):1415-1419.

[2]李堯等.隧道襯砌病害地質雷達探測正演模擬與應用[J].巖土力學.2016，37(12):3927-3930.