基于天線收發距的盾構壁后注漿雷達探測試驗研究

胡盛斌，徐國元，馬富安，唐甫，容繼盤，鐘有信

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基于天線收發距的盾構壁后注漿雷達探測試驗研究

胡盛斌1, 2，徐國元1，馬富安3，唐甫3，容繼盤4，鐘有信2

(1. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510641；2. 南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧，530029；3. 廣西有色勘察設計研究院，廣西 南寧，530031；4. 南寧市建筑質量安全管理中心，廣西 南寧，530022)

為提高地質雷達在盾構管片壁后注漿探測的準確性，建立全尺寸盾構管片環試驗平臺，采用聚氯乙烯管模擬盾構管片壁后注漿空洞缺陷；通過電磁波理論分析計算和試驗平臺雷達探測效果驗證，在選擇合適的中心頻率天線的基礎上，采用一種簡易可行的增設天線墊塊方式優化天線收發距。研究結果表明：不同含鋼量管片的電性參數差異不大，但不同凝結時間的注漿層漿液與管片、圍巖的電性參數(相對介電常數、電磁波波速等)存在一定的差異；管片鋼筋網多次反射信號與注漿層反射信號重疊是造成地質雷達信號難以判譯的主要原因；天線收發距參數優化方法能有效提高電磁波的一次輻射場強而壓制多次反射場強，從而提高注漿層反射波信號分辨率。

天線收發距；地質雷達；盾構管片；盾構壁后注漿

砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，具有結構松散、黏聚力低、透水性強、卵礫石多、單個卵石強度高、受到機械開挖擾動后容易產生顆粒流動等特點[1?2]。由于盾構掘進對砂卵石地層的擾動、地下水變化等不利因素的作用，隧道圍巖容易產生空洞、不密實、松散層等地層構造缺陷，尤其是當盾構施工參數控制不當時，極易出現超量出渣、螺旋輸送機噴涌、刀盤刀具磨損嚴重、開倉換刀頻繁等異常情況，勢必加劇地層構造缺陷，誘發地表塌陷等嚴重問題，因而，及時開展同步注漿并保證注漿質量，探索及時、快速、可靠的注漿效果探測方法，以期盡早發現盾構壁后注漿缺陷，采取針對性處理措施，預防或避免由缺陷誘發的城市地質災害的發生，成為盾構隧道工程領域的研究熱點。國內外研究人員探索運用地質雷達探測隧道注漿層質量，從理論到實踐都取得了一系列成 果[3?7]。夏才初等[8]指出了地質雷達天線中心頻率、發射?接收天線間距選擇的重要性；劉敦文等[9?10]研究了地質雷達在地下巖土介質中的傳播與衰減規律、成像特征等理論及其應用；戴前偉等[11?12]利用時域有限差分法(FDTD)和偏移技術提高了雷達正演的分辨率；黃宏偉等[13?17]結合室內模型試驗、現場試驗以及數值分析結果，驗證了地質雷達應用于隧道壁后注漿質量檢測的有效性；劉海等[18]運用同軸探頭法對上海盾構隧道穿越土層原狀土進行介電常數和含水率測試，分析了介電常數與含水率之間的關系；葉琛[19]提出地質雷達的探測性能和測量參數公式，分析了地質雷達電磁波的傳播特性；趙永輝等[20]提出了鋼筋散射波場去除方法，從強散射背景中提取出注漿缺陷的反射波；王志高等[21]運用希爾伯特?黃變換(HHT)進行壁后注漿正演模擬，有效濾除干擾雜波，提取出雷達圖像中的微弱異常信息；吳豐收等[22]指出鋼筋的屏蔽干擾、多次波極易造成無法判釋或誤判，提出高階時間域有限差分法和F?K偏移算法模擬雙層鋼筋網定位、缺陷探測，有效壓制了鋼筋多次波，突出了有效信號；曾琛超等[23]采用GPRMax2D軟件進行正演模擬，應用一致性消除法處理模擬數據，有效壓制了鋼筋多次波；張軍等[24]分析了VV和HH 極化方式的散射特性和病害圖譜特征，采用F?K偏移算法還原了鋼筋層下部病害。然而，從天線收發距參數優化入手開展盾構管片壁后注漿層缺陷探測的研究幾乎未見報道。為此，本文作者利用盾構管片試驗平臺開展地質雷達探測研究，測定目標介質的電性參數；在近似簡化處理和理想化模型的基礎上提出一種天線收發距的優化方法，并對比天線收發距優化前后的地質雷達探測的準確性，以期為類似工程提供參考。

1 試驗平臺

圖1所示為按1:1比例設計建造的盾構管片環試驗平臺(其中為直徑)。該平臺采用南寧市軌道交通1號線工程某區間隧道的盾構管片和同步注漿材料，該盾構管片環由1塊為封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標準塊組成，其外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，壁厚為 0.3 m，環寬為1.5 m，管片混凝土強度為C50，抗滲等級為P12。在場地的圓礫地層開挖1個圓形基坑，盾構管片分塊吊裝成環，并裝好管片螺栓，形成1個完整的盾構管片環；管片壁后建筑空隙為20~35 cm。分別在建筑空隙處預埋直徑為50，100，160和650 mm的聚氯乙烯(PVC)單管和多管模擬注漿空洞缺陷，管長略大于管片環寬，并能模擬空洞缺陷充水與未充水的情況。另外，由于受場地條件限制，管片環外側緊臨一處鋼筋混凝土管道，可以作為地下管線的探測目標體。

圖1 試驗平臺示意圖

2 天線收發距參數優化

天線是地質雷達系統中的一個關鍵部件。天線必須具有高輻射效率、大的相對帶寬、高保真度、低旁瓣等特性[7]。地質雷達系統中的超寬帶天線主要有2類，即介質耦合天線和空氣耦合天線，其中，介質耦合天線包括蝶形寬帶天線、螺旋形天線、棒形偶極子天線等。目前，商業地質雷達多采用屏蔽方式的介質耦合天線，天線收發距固定不可調。

考慮到管片鋼筋網的屏蔽干擾與反射波信號重疊的影響，為使接收到的注漿層反射波信號處于雷達反射信號較強的區域，提高電磁波的一次輻射場強而壓制多次反射場強，從而提高注漿層反射波分辨率[25]，在地質雷達信號數據處理之前就能直接獲得真實有效的數據，可以通過以下簡易可行的方法達到天線收發距參數優化的目的。

對于均勻半空間表面水平諧變電偶極子的輻射場，當水平電偶極子源位于地面時，其上半空間任意一點的輻射場強(0)計算公式[4]為

(a)r=1.0；(b)r=2.0；(c)r=3.2；(d)r=10.0

圖2 地表面上偶極子天線在主剖面中的輻射場方向圖[3]

Fig. 2 Radiation patterns in the main section for dipole antenna on the surface of a dielectric half-space[3]

由圖2可見：以偶極子天線正下方為中心的一定張角范圍內的輻射場較強，形成天線對地下介質的有效照射區域，在此區域內的目標探測體可產生較明顯的反射。同時，由于管片與注漿層電性參數差異不大，可近似簡化為同一介質，其介電常數多為10.0~12.0。要使注漿層外界面雷達反射波信號最強，反射信號被接收天線所接收，結合表1中的結果，可知天線收發距取值為5~10 cm。

表1 相同探測深度下最大輻射場強分布范圍及天線收發距

目前，商用地質雷達屏蔽天線中心頻率為200~900 MHz的收發距一般設置為16~25 cm，為使天線收發距最優從而提高可分辨率，忽略直達波信號、外部干擾信號的影響，選擇厚度為15~30 cm的空心木盒或介電常數接近于空氣的無磁材料(如泡沫塑料)作為墊塊，固定于天線底面上，檢測時可以使天線底面與管片表面保持一定距離，則位于管片表面的電磁回波路徑的三角形底邊邊長可近似認為是等效的天線收發距。天線收發距優化示意圖如圖3所示。

圖3 天線收發距優化示意圖

由相似三角形定理可知：

式中：0為固定的天線收發距；′為等效的天線收發距；為墊層的厚度；為管片表面至注漿缺陷的距離。

3 介質電性參數測定

本文選用多個品牌型號的地質雷達以及對應的高、中、低頻的天線進行對比測試，經比較后選用意大利RIS-K2-FW型地質雷達及其配備的頻率為200，400，900 MHz的天線，由于低頻天線比高頻天線探測深度更深，天線抗干擾性能力較強，電磁波能量衰減較小，電磁波信號相對更加穩定。故本文選擇頻率為200和400 MHz天線作為雷達探測試驗研究的主要天線。

在介質電性參數正式測試前，采用不同頻率天線測定空氣的電磁波波速，以檢驗儀器系統性能。

3.1 圍巖

沿地表用洛陽鏟垂直開挖寬為5 cm、深為1 m的溝槽，并埋入鋼板作為雷達識別目標反射層，測試數量不少于3組，取平均值作為該圍巖電性參數代表值。對實測的典型雷達圖像進行分析與計算，得到鋼板反射時間約為18 ns，富水圓礫層電磁波波速為77 km/s，其相對介電常數約為15.18。

3.2 管片

本文選取南寧市軌道交通1號線工程的4種型號管片(共92塊)進行測試。將管片豎直放置在空曠的地面，避免平臥放置時的地面反射而產生干擾，分別采用頻率為200和400 MHz屏蔽天線測試，取平均值為該型號管片電性參數的代表值。不同型號混凝土管片電磁波波速見表2。由表2可以看出：頻率為200 MHz的天線測定的電磁波波速為97.4~100.1 km/s，頻率為400 MHz的天線測定的電磁波波速為116.5~ 119.3 km/s，頻率為400 MHz的天線測定的管片電磁波波速比頻率為200 MHz天線的大，而相同頻率天線測試的管片電磁波波速非常接近。因此，盡管不同型號管片含鋼量有所不同，但不同含鋼量管片的電性參數差異不大，這些相對固定的管片電性參數為盾構管片壁后注漿質量雷達探測提供了相對穩定的參照依據。

表2 不同型號混凝土管片電磁波波速

注：X-2型號管片未使用。

3.3 同步注漿材料

制作長度為100 cm、寬度為50 cm、厚度為25 cm的砂漿模型試塊共9塊，將其分為3組，分別采用頻率為200和400 MHz屏蔽天線測試在漿液充填后的1/8，1，7，14，28 d的電磁波波速、相對介電常數，取其平均值作為砂漿電性參數代表值，每立方米同步注漿所用的材料參數見表3。注漿層的電磁波波速和相對介電常數隨齡期的變化分別見圖4和圖5。

由圖4和圖5可見：該漿液總體的電性參數在7 d后逐漸趨于穩定，頻率為200 MHz的天線測試的電磁波波速比頻率為400 MHz天線的小，而頻率為 200 MHz的天線測試的相對介電常數比頻率為 400 MHz天線的大，這些電性參數特征為管片壁后注漿質量探測時機提供了參考依據。

表3 每立方米同步注漿材料參數

頻率/MHz：1—200；2—400。

頻率/MHz：1—200；2—400。

4 試驗結果分析與討論

4.1 試驗結果分析

圖6所示為試驗平臺分別經頻率為200 MHz和400 MHz的天線收發距優化前后的雷達探測試驗平臺盾構管片壁后注漿效果對比圖。盾構管片壁后注漿層漿液凝結時間已超過28 d，地質雷達探測沿管片環內壁布設水平環向測線。

由圖6可見：當直接采用頻率為200 MHz的屏蔽天線探測試驗平臺注漿缺陷時，管片多次反射信號與注漿層反射信號重疊，表現為低頻信號特征，雖然可以判斷大尺寸缺陷(壁后空洞、混凝土管道)，但難以判別單個空洞缺陷，特別是注漿層缺陷探測效果并不理想；頻率為200 MHz的屏蔽天線經收發距優化后等效天線收發距為8 cm，注漿層反射信號明顯增強，管片多次反射信號幅度減弱，反射頻率相比優化前有明顯提高，分辨率也相應提高，注漿層反射界面清晰可見，試驗平臺內預設的直徑不小于100 mm空洞及混凝土管道的位置和大小清晰可見，但對直徑為50 mm空洞缺陷的探測效果不明顯；經收發距優化的頻率為400 MHz的天線與頻率為200 MHz的天線探測精度和效果接近，可以滿足注漿層質量缺陷探測精度要求。因此，在富水圓礫層盾構隧道管片壁后注漿質量探測中，天線收發距的合理選擇是地質雷達探測成功的 關鍵。

4.2 討論

目前市場上常見的天線為一體化介質耦合屏蔽天線，在盾構管片壁后注漿探測應用中直接應用此類天線難以得到精度較高的結果。考慮到輻射場強公式是基于平面波反射理論得到的理想化模型，實際情況要復雜得多，如盾構隧道為圈閉空間，內部干擾源(電纜線、金屬管道、管片連接螺栓等)較多，測線布設、注漿缺陷含水狀況等因素都會對地質雷達探測準確性有一定影響，故在實際應用中，應結合現場試驗效果選擇合適的天線收發距或優化天線收發距參數設置，進一步研究地質雷達采樣參數設置、各種類型天線頻率及天線收發距的最優組合，并通過大量的室內試驗和工程案例，獲得盾構隧道管片壁后注漿各種缺陷的典型雷達探測圖譜，輔以其他的方法(如鉆芯法、淺層地震法等)相互驗證，探索盾構隧道管片壁后注漿質量探測的最佳效果。

(a) 試驗平臺注漿缺陷展開圖；(b) 200 MHz天線探測圖像；(c) 200 MHz天線優化后探測圖像； (d) 400 MHz天線探測圖像；(e) 400 MHz天線優化后探測圖像

5 結論

1) 不同含鋼量管片的電性參數差異不大，但不同凝結時間下盾構管片壁后注漿層的漿液、管片與圍巖的電性參數存在一定的差異，這些介質的電性參數特征為地質雷達準確探測盾構管片壁后注漿效果提供了前提條件。

2) 盾構管片鋼筋網多次反射信號與注漿層反射信號重疊是造成地質雷達探測信號難以判譯的主要原因，采用天線收發距參數優化的方法，能有效提高電磁波一次輻射場強而壓制多次反射波場，明顯提高注漿層反射波的分辨率。

3) 合理選擇天線收發距是富水圓礫層盾構隧道壁后注漿探測成功的關鍵，適用于南寧富水圓礫層盾構隧道管片壁后注漿質量雷達探測的天線收發距參考值為5~10 cm。

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Experimental study on antenna spacing of ground penetrating radar detection of grouting material behind shield segment

HU Shengbin1, 2, XU Guoyuan1, MA Fuan3, TANG Fu3, RONG Jipan4, ZHONG Youxin2

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;2. Nanning Rail Transit Co., Ltd, Nanning 530029, China; 3. Guangxi Nonferrous Survey and Design Institute, Nanning 530031, China; 4. Nanning Construction Quality and Safety Management Center, Nanning 530022, China)

To improve accuracy of GPR (ground penetrating radar) detection for grouting material behind shield segment, the full-sized test platform of shield segment ring for GPR detection was established, and polyvinyl chloride (PVC) pipes were used to simulate the void defects after grouting. Through large amount of analysis and calculation about electromagnetic wave theory and verification of GPR in test platform, a simple and feasible method of installing a antenna cushion was used to optimize antenna spacing on the basis of choosing a proper center frequency antenna. The results show that for segment with different steel contents, the difference in electrical parameters is not obvious, but there exist differences in electrical parameters(relative permittivity, electromagnetic wave velocity etc) between grouting slurry with different setting time, segments and surrounding rocks. Difficulty in the analysis of GPR detection can be caused by overlapping between the multiple reflection signal of shield segment steel and the reflection signal of grouting layer. Parameter optimization of antenna spacing enhances the strength of the first-time reflection signal and suppress the strength of the second-time reflection signal. Thus, resolution of the reflection signal of grouting layer is improved.

antenna spacing; ground penetrating radar; shield segment; grouting material behind shield segment

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.015

U455.43

A

1672?7207(2019)02?0360?08

2018?05?16；

2018?07?16

國家自然科學基金資助項目(51508200，51078151)(Projects(51508200, 51078151) supported by the National Natural Science Foundation of China)

徐國元，博士，教授，博士生導師，從事城市軌道交通、隧道及地下工程等研究；E-mail：gyxu@scut.edu.cn

(編輯 伍錦花)