隧道壁后空洞檢測的探地雷達(dá)試驗

劉迎春， 覃 暉

（1.徐州徐工養(yǎng)護(hù)機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000；2.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引 言

在已建或在建的公路隧道中，由于設(shè)計、施工、環(huán)境等方面的原因，出現(xiàn)襯砌空洞病害的現(xiàn)象十分普遍，給隧道的施工和運(yùn)營造成了嚴(yán)重威脅［1-4］。

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）作為目前廣泛關(guān)注，備受推崇的檢測方法，因其無損、連續(xù)、快速、高效而又操作簡便等特點(diǎn)，在隧道襯砌空洞的檢測中得到了越來越多的關(guān)注［5-8］。然而，對于探地雷達(dá)檢測參數(shù)的設(shè)置和圖像識別多依賴于人工經(jīng)驗，這也制約了探地雷達(dá)快速檢測技術(shù)的廣泛應(yīng)用［9-11］。

本文通過模型試驗?zāi)M隧道襯砌內(nèi)部以及襯砌背后存在的具有代表性的空洞，并對其探測圖像進(jìn)行分析，從中提取有用信息，用于指導(dǎo)實際條件下的隧道襯砌空洞探測圖像的處理和識別工作。

1 探地雷達(dá)原理

GPR是用高頻電磁波（1 MHz～3 GHz）來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法［12-13］。如圖1所示，探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由雷達(dá)主機(jī)、信號發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線、接收機(jī)和接收天線組成。高頻電磁波以寬頻帶、短脈沖的形式，通過發(fā)射天線被定向送入地下，經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，由接收天線所接收，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形會隨其通過介質(zhì)的電性特征及幾何形態(tài)不同而發(fā)生變化，故通過對探地雷達(dá)回波的采集、處理和分析，可以確定地下界面或異常體的結(jié)構(gòu)及空間位置。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

2 模型設(shè)計和制作

2.1 隧道襯砌模型

本試驗?zāi)Ｐ鸵阅彻匪淼赖脑O(shè)計資料為依據(jù)，并根據(jù)公路隧道的一般特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計。隧道襯砌模型如圖2所示，模型二襯采用C30混凝土澆筑，配筋包括水平鋼筋、豎向鋼筋以及連接鋼筋，直徑分別為22、12和8 mm，間距均為0.33 m（即3根／m）。二襯后防水材料由兩層組成，第1層為PVC防水板、第2層為土工布。防水層后為初襯，初襯采用C25商品混凝土澆筑。初襯后填筑黃砂來模擬襯砌背后的圍巖。

圖2 隧道襯砌實物

模型平面尺寸為4.2 m×4.2 m，高2.0 m。模型平面形狀為“口”字形，四面由混凝土墻組成，編號1＃、2＃、3＃和4＃。各混凝土墻體模擬不同測試工況，分別為：

（1）1＃墻。600 mm厚鋼筋混凝土二襯＋防水層＋250 mm厚素混凝土初襯，襯砌內(nèi)設(shè)置空洞。

（2）2＃墻。600 mm厚鋼筋混凝土二襯，不設(shè)空洞。

（3）3＃墻。600 mm厚鋼筋混凝土二襯＋防水層＋250 mm厚素混凝土初襯，二襯與初襯間設(shè)置脫空。

（4）4＃墻。600 mm厚素混凝土二襯，不設(shè)空洞，用于波速測定和對比試驗。

2.2 空洞模型

在襯砌內(nèi)部和襯砌背后設(shè)置空洞，模擬各類探測情況如下。

（1）二襯內(nèi)部空洞設(shè)置在1＃墻內(nèi)，如圖3（a）所示。襯砌內(nèi)共設(shè)置4個立方體空洞，編號為V1～V4，分為兩組：

第1組。V1和V2，位于二襯內(nèi)部，其中V10.1 m×0.1 m×0.1 m，埋深0.3 m；V20.2 m×0.2 m×0.2 m，埋深0.36 m。

第2組。V3和V4，位于二襯與初襯界面，其中V30.1 m×0.1 m×0.1 m，埋深0.47 m；V40.2 m×0.2 m×0.2 m，埋深0.37 m。

（2）二襯和初襯間脫空設(shè)置在3＃墻內(nèi)，如圖3（b）所示。脫空豎直方向位于3＃墻0～0.9 m高度范圍，水平方向延伸長度1.5 m，脫空層厚度從左向右由0變化到0.25 m。

（3）襯砌背后1 m處空洞設(shè)置在2＃墻內(nèi)，如圖3（c）所示。考慮不同尺寸的空洞，分別為0.16 m×0.16 m×0.12 m、0.32 m×0.32 m×0.12 m、0.32 m×0.32 m×0.24 m。

圖3 模型內(nèi)空洞設(shè)置（mm）

3 空洞檢測模型試驗

3.1 數(shù)據(jù)采集

采用加拿大Sensor＆Software公司pulseEKKO PRO系列探地雷達(dá)進(jìn)行探測試驗，分別選用中心頻率為1.0和0.5 GHz的天線，研究不同頻率電磁波的探測效果。探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由控制單元、發(fā)射／接收天線、電池等組成，試驗設(shè)備如圖4所示。

圖4 探地雷達(dá)試驗設(shè)備

3.2 數(shù)據(jù)處理

由于探地雷達(dá)圖像存在衰減以及大量雜波，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此在對圖像進(jìn)行分析和識別之前，需要對圖像進(jìn)行一定的處理。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達(dá)圖像上顯示反射信號，壓制噪聲，增強(qiáng)信號，提高資料信噪比，幫助解釋人員對資料進(jìn)行分析［14-15］。本試驗采用的數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

3.3 試驗結(jié)果

（1）襯砌內(nèi)部空洞探測結(jié)果。分別用1.0和0.5 GHz天線對襯砌內(nèi)部空洞進(jìn)行探測，探測結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，1.0 GHz天線能夠探測到空洞V1和V2，V1埋深0.32 m（相對誤差6.7%），V2埋深0.35 m（相對誤差2.8%）。對于埋深較大的空洞V3和V4，1.0 GHz天線只能夠探測到尺寸較大的空洞V4，埋深0.39 m（相對誤差5.4%），而無法探測到尺寸較小的空洞V3。1.0 GHz天線無法探測到V3的原因在于V3的尺寸較小而埋深又較大，超出了1.0 GHz天線的穿透深度。

圖6 襯砌內(nèi)部空洞探測結(jié)果

0.5 GHz天線對襯砌內(nèi)部4個空洞得探測效果均較好，V1埋深0.31 m（相對誤差3.3%）、V2埋深0.37 m（相對誤差1.4%）、V3埋深0.48 m（相對誤差2.1%）、V4埋深0.39 m（相對誤差5.4%）。0.5 GHz天線的雷達(dá)圖像上，空洞的反射信號非常明顯，呈現(xiàn)出明顯的雙曲線特征，易于辨認(rèn)。

（2）二襯與初襯脫空探測結(jié)果。分別用1.0 GHz、0.5 GHz天線對二襯與初襯脫空進(jìn)行探測，探測結(jié)果如圖7所示。從1.0 GHz天線的雷達(dá)圖像上已經(jīng)完全不能找到脫空的反射信號，說明脫空的埋深已經(jīng)超過了1.0 GHz天線的穿透深度。

從0.5 GHz天線的雷達(dá)圖像上可以明顯分辨出楔形脫空上表面的反射位于0.65 m（相對誤差8.3%）處，脫空區(qū)的下表面在雷達(dá)圖像上反映不出來。并且，從左至右隨脫空的厚度越來越小，反射信號也逐漸減弱，在測線長度為1.2 m之后，脫空厚度小于0.05 m，脫空反射回波已難以分辨。

（3）襯砌背后空洞探測結(jié)果。由于1.0 GHz天線只能探測到襯砌內(nèi)部淺層空洞，而0.5 GHz天線在探測較深空洞時仍然保持良好性能，因此，對于襯砌背后空洞，選擇0.5 GHz天線進(jìn)行探測，探測結(jié)果如圖8所示。

圖8 襯砌背后空洞探測結(jié)果

從圖像特征看，空洞反射回波均沒有明顯的拋物線特征，但可從圖像上看到明顯的多次反射波。并且，空洞厚度為0.12 m的圖像多次反射較少，而空洞厚度為0.24 m的圖像多次反射較多。因此，雷達(dá)圖像上的多次反射可以作為判定襯砌背后空洞的依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文通過模型試驗對探地雷達(dá)檢測隧道襯砌空洞進(jìn)行研究，試驗結(jié)果可為天線頻率選擇、空洞識別提供參考依據(jù)，主要結(jié)論如下：

（1）1.0 GHz電磁波在混凝土中穿透深度有限，僅能探測出襯砌內(nèi)的淺埋空洞，0.5 GHz電磁波在探測試驗中表現(xiàn)出較好的性能，對襯砌內(nèi)部和襯砌背后空洞都有較好的探測效果。

（2）對襯砌內(nèi)部空洞，1.0 GHz電磁波可探測出埋深0.3 m以內(nèi)的空洞，但當(dāng)空洞埋深超過0.47 m時，已無法分辨出邊長小于0.1 m的立方體空洞；0.5 GHz天線可探測出襯砌內(nèi)所有空洞，空洞的反射信號非常明顯，有明顯的雙曲線特征，可作為判別依據(jù)。

（3）二襯與初襯脫空在0.5 GHz電磁波的雷達(dá)圖像上可以明顯分辨出上表面的反射，當(dāng)脫空厚度小于5 cm時，識別難度增大。

（4）0.5 GHz電磁波可有效檢測出襯砌背后1 m處的空洞，在雷達(dá)圖像上空洞不再表現(xiàn)出明顯的雙曲線特征，但可以通過多次反射來分辨，并且空洞的厚度越大，多次反射的特征越明顯。