隧道襯砌背后空洞的地質雷達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

地質雷達屬于一種能夠對地下介質進行利用，在廣譜電磁波方面具有不同影響的，能夠對地下介質分布情況進行確定的地球物理技術。其主要是基于有線的隧道，在正常交通的時間限制下，地質雷達在檢測的時候，由于其具備著直觀、高效的特點，是目前進行隧道襯砌檢查的一個非常主要的手段。隨著近些年來，對于地質雷達檢測隧道襯砌質量得到了進一步的應用，有很多的學者也都做了一定的研究。再根據大量的現場檢測方面的經驗和雷達檢測方面的理論，很多的學者也都做好非常多的試驗與數值模擬方面的研究。而美國科研小組也在20年前，發現了具備1 400 MHz天線的地質雷達能夠對檢測精度進行統計，還能夠對空洞和混凝土不密實的情況等比較常見的病害方面的反射特征進行探測。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空洞的情況，以及積水空洞的形狀進行充分的考慮，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檢測造成影響，對雷達檢測圖像的特征情況進行綜合的分析，這樣能夠為襯砌背后病害的現場檢測的工作提供更加豐富的辨識上的依據。

1 隧道襯砌模型和雷達檢測

1.1 試驗的模型

因為隧道襯砌在進行施工的時候，二襯需要進行設置的包括鋼筋和不設鋼筋兩種不同的類型，而應用素混凝土區的時候，對于整個圍巖的級別要求較高，如果地質情況比較理想，整個隧道襯砌中素混凝土區存在的病害不容易得到重視。而在進行試驗模擬隧道的時候，就有可能存在病害﹐所以需要做好檢測的工作再進行相應的分析。而整個試驗的模型需要調整尺寸為6.24 m×1.2 m×0.6 m，將初襯的厚度設置為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，再應用商品的混凝土來進行澆筑。

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

在應用防水膠帶做好密封工作，而在進行灌水的方法的設置的時候，主要選擇了無積水﹑部分積水、充滿積水的情況。與此同時，還要對雷達對于整個空洞的檢測精度進行深入的分析，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來進行相應的對比。對于球形、橢球形，還有就是心形的塑料小球進行選擇，并且需要探究立方形的塑料盒以及PVC管，對于空洞的雷達檢測效果所產生的影響。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律，需要充分結合其形狀、尺寸、埋深、積水等不同的狀態，對于會影響到布設情況的因素，進行綜合的考慮。

1.3 做好地質雷達的檢測

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

1.4 圓柱形空洞

當直徑為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差異比較大，而出現更明顯的反射，這樣就更便于進行檢測。而在進行實際檢測的時候，如果為含水的直徑20 mm尺寸左右的空洞，是比較難進行識別的，這種情況往往需要通過對整個雷達圖，進行細致的觀察和處理，這樣才能夠滿足檢測小尺寸空洞的目標。對于整個盒子形的空洞，可以發現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 正演數值的模擬

2.1 二維空間存在的FDTD差分

通過應用Yee差分的格式，主要是通過Maxwell的方程角度，就能夠得到相應的2個旋度方程式，再根據Yee差分格式的差異，來進一步建立出矩形差分網格，這樣能夠保證得到二維Yee元胞。

2.2 進行模型的結果分析

通過相應的數值模擬的方式，并應用GPRMAX2D的軟件，能夠實現的是對于整個試驗模型進行相應的仿真與分析，之后就能夠發現相應的建模圖形，包括存在的地質雷達模擬剖面圖。在這其中的23，25號空洞試驗的時候，主要應用的是心形的空洞，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，就可以對研究結果進行模擬，之后就可以得出相應的結論，也與試驗的檢測結論基本不存在差異。

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出的相關特征就會越微弱。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，反射波組呈現的是同相軸特征，也體現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，就很可能會出現多次的反射，這之后還可能會出現3個相對來說比較明顯的反射界面。之后在電磁波水介質中，也會導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是一種理想的介質，而整個反射界面卻比較直觀明顯。相對而言整體的試驗模型介質情況是比較復雜的，而且整個反射波組也會呈現出比較多次的反射。

3 結束語

綜上所述，通過試驗和模擬進行論證、對比之后，能夠發現的是模擬所得到的結論和整個試驗的結論基本上是能夠吻合的，而且得出的結論對于襯砌空洞病害進行現場檢測的過程中，以及進行雷達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，都有著非常密切的關系，為了能夠更好的為現場的檢測工作，也就是雷達圖像的識別提供一定的參考依據。