隧道襯砌質(zhì)量的地質(zhì)雷達電磁波反射特征分析及應(yīng)用

胡汛訓(xùn), 李 理, 付小念, 付代光, 張 楊

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,武漢 430064;2.長江設(shè)計集團長江巖土工程有限公司,武漢 430010;3.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,武漢 430010)

0 引言

隧道襯砌的質(zhì)量關(guān)系到隧道整體穩(wěn)定性及隧道的安全正常運營,加強隧道施工過程中襯砌質(zhì)量檢測具有重要意義。目前的檢測內(nèi)容主要針對襯砌厚度不足、空洞、襯砌脫空、不密實、鋼筋缺失、鋼拱架間距偏大等質(zhì)量問題。傳統(tǒng)的檢測方法主要有現(xiàn)場開鑿法、電磁感應(yīng)法和沖擊回波法。其中:①現(xiàn)場開鑿法是最直觀和準(zhǔn)確的方法,但對隧道具有一定的破壞性,在實際檢測中只在特殊情況下使用;②電磁感應(yīng)法具有造價低和使用方便等優(yōu)點,但檢測精度較低;③沖擊回波法具有檢測精度高的優(yōu)勢,但是檢測效率偏低。地質(zhì)雷達以高頻電磁波為場源,以電磁波傳播理論為基礎(chǔ),利用發(fā)射天線發(fā)射電磁波,電磁波經(jīng)隧道結(jié)構(gòu)的反射被接收天線所接收,對接收的反射電磁波信號進行數(shù)據(jù)處理,根據(jù)數(shù)據(jù)分析判讀隧道病害情況。地質(zhì)雷達法無損檢測技術(shù)具有檢測效率高、操作簡便、分辨率高等優(yōu)勢,在公路、鐵路及水工隧道中有著廣泛的應(yīng)用。

王華牢等[1]對襯砌厚度不足的問題利用數(shù)值仿真的方法對襯砌安全性的影響做出評估;張鴻飛等[2]對隧道襯砌檢測中常見的幾種空洞模型進行正演模擬,得出模擬波形和圖譜,并與實測隧道襯砌空洞的探地雷達波形和圖譜進行對比;喻軍等[3]介紹了地質(zhì)雷達的原理和常見圖像的識別判斷,如空洞、不密實、襯砌厚度,錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架間距;劉新榮等[4]對隧道襯砌內(nèi)的空洞進行正演模擬,得到其相應(yīng)的正演合成三維剖視圖及切片圖,實現(xiàn)雷達數(shù)據(jù)三維正演可視化,探討空洞的三維圖譜特性;張素磊[5]通過理論分析、數(shù)值計算、室內(nèi)相似模型試驗和現(xiàn)場檢測相結(jié)合的方法對隧道襯砌結(jié)構(gòu)缺陷進行評定。盡管這些研究取得了很多有價值的成果,但仍有一些關(guān)鍵問題沒有被充分討論,比如襯砌中鋼筋的模擬研究大多只是針對固定間距的單層鋼筋,對雙層鋼筋和間距過小情況的研究較少;對于空洞的研究模型過于單一,針對不同形狀、大小不等空洞的探測研究較少;目前的研究中關(guān)于正演成果較多,實證驗證相對較少;另外,二襯缺陷的探地雷達圖像判譯過度依賴于探測人員的解譯經(jīng)驗,尚未構(gòu)建起針對各類型缺陷的系統(tǒng)性的解譯標(biāo)志,無法保證解譯結(jié)果的客觀性[6-8]。

筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,①對隧道初支、二襯中常見的缺陷類型進行時域有限差分法(Finite difference time domain,FDTD)數(shù)值模擬,使用頻率400 MHz、1 000 MHz雷達天線對襯砌中不同間距的單雙層鋼筋缺失、不同厚度、不同形狀脫空和不密實等缺陷進行地質(zhì)雷達探測正演模擬;②通過正演模擬結(jié)果,分析隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達電磁波反射波特征和某工程實測結(jié)果,證明數(shù)值模擬結(jié)果的有效性,總結(jié)、分析了襯砌缺陷的地質(zhì)雷達電磁波反射特征及解譯標(biāo)志。

1 隧道初支襯砌結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)隧道初支標(biāo)志物物理性質(zhì)及幾何特征,建立如圖1所示的隧道含缺陷初支幾何模型:模型長為9 m,垂向厚度為0.9 m,縱向厚度為0.01 m,包含7榀寬為0.4 m,厚為0.06 m的鋼拱架,第三榀和第四榀拱架、第五榀和第六榀拱架之間有柱形空洞。

圖1 隧道初支含缺陷幾何模型Fig.1 Geometric modeling of tunnel primary support with defects

正演參數(shù)[9-16]:激發(fā)子波為雷克子波,子波頻率為1 000 MHz,差分網(wǎng)格大小為0.01 m×0.01 m×0.01 m,天線步長為0.01 m,采集時窗為30 ns,具體模型參數(shù)如表1所示。

表1 隧道初支幾何模型及正演參數(shù)一覽表Tab.1 List of geometric modeling and forward modeling parameters of tunnel primary support

通過圖2的正演模擬結(jié)果可以看出,鋼拱架對雷達信號產(chǎn)生較強能量的反射,反射振幅較大,原始正演雷達剖面上鋼拱架對應(yīng)位置弧形反射明顯,第三榀和第四榀拱架,第五榀和第六榀拱架之間,電磁波反射同相軸錯亂,出現(xiàn)較強振幅反射[17]。無缺陷部位和有缺陷部位電磁反射波波場特征有明顯差異。

圖2 隧道初支含缺陷模型正演模擬Fig.2 Forward modeling of tunnel initial support with defects

2 隧道二襯結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)隧道二襯標(biāo)志物物理性質(zhì)及幾何特征,建立如圖3所示的隧道二襯含幾何缺陷模型:模型長為2.5 m,垂向厚度為0.6 m,縱向厚度為0.01 m,包含半徑為0.02 m的鋼筋。

圖3 隧道二襯單排鋼筋幾何模型Fig.3 Geometric modeling of single row reinforcement for tunnel secondary lining

正演參數(shù):激發(fā)子波為雷克子波,子波頻率為1 000 MHz,差分網(wǎng)格大小為0.01 m×0.01 m×0.01 m,天線步長為0.01 m,采集時窗為30 ns,具體模型參數(shù)如表2所示。隧道二襯單排鋼筋模型正演模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 隧道二襯單排鋼筋模型正演模擬 Fig.4 Forward simulation of single row steel bar model for tunnel secondary lining

表2 隧道二襯幾何模型及正演參數(shù)一覽表Tab.2 List of geometric modeling and forward modeling parameters of tunnel secondary lining

分別設(shè)計了如圖5、圖7所示的隧道二襯對稱排布雙排鋼筋幾何模型和隧道二襯梅花形排布雙排鋼筋幾何模型,對比分析兩種模型的正演模擬結(jié)果(圖6和圖8)可知,需要進一步的信號處理[17-20],才能準(zhǔn)確解譯出深層鋼筋信息。

圖5 隧道二襯對稱排布雙排鋼筋幾何模型Fig.5 Geometric modeling of symmetrical arrangement of double row reinforcement in tunnel secondary lining

圖6 隧道二襯對稱排布雙排鋼筋模型正演模擬Fig.6 Forward simulation of a symmetrical arrangement of double row steel bars model for tunnel secondary lining

圖7 隧道二襯梅花形排布雙排鋼筋幾何模型Fig.7 Geometric modeling of double row reinforcement in quincunx arrangement for tunnel secondary lining

圖8 隧道二襯梅花形排布雙排鋼筋模型正演模擬Fig.8 Forward simulation of a double row steel bar model with plum blossom arrangement in the secondary lining of a tunnel

圖9為隧道二襯含缺陷模型,圖10為隧道二襯含缺陷模型正演模擬結(jié)果,從模擬結(jié)果可以看出,PVC管、預(yù)埋件、結(jié)構(gòu)縫、混凝土振搗不均勻、混凝土裂縫等原因產(chǎn)生的二襯脫空、不密實等缺陷在雷達反射剖面上表現(xiàn)為強振幅反射,反射波相位為負(fù),而鋼筋反射的相位一般為正;淺層鋼筋及部分缺陷容易辨別,未經(jīng)處理的原始剖面不易辨識模型深部信息。

圖9 隧道二襯含缺陷幾何模型Fig.9 Geometric modeling of tunnel secondary lining with defects

圖10 隧道二襯含缺陷模型正演模擬Fig.10 Forward simulation of tunnel secondary lining with defects model

3 實測案例分析

3.1 工程概況

天山勝利隧道是G0711烏魯木齊至尉犁段高速公路建設(shè)項目的重要控制性工程,建成后將打通天山南北的交通運輸屏障,成為連接北疆、南疆之間的安全、舒適、快捷、高效公路運輸通道。隧道兩端位于烏魯木齊縣薩爾達坂鄉(xiāng)216國道旁以及和靜縣烏拉斯臺查汗村烏斯托車站附近S301省道K217+400-600北側(cè);天山勝利隧道設(shè)計為分離式隧道,凈空11.0 m(寬)×5.0 m(高),隧道采用主洞+服務(wù)隧道的“三洞”形式,共設(shè)置4處通風(fēng)井,每處由兩座豎井組成。左線隧道長度為22 105.00 m,隧道最大埋深約1 115.03 m;右線隧道長度為22 006.7 m,隧道洞底最大埋深約1 122.024 m;服務(wù)隧道長度為22 054.5 m。

3.2 初支實測案例

天山勝利隧道自2020年5月開工以來,隧道襯砌施工質(zhì)量一直備業(yè)主和各參建單位的關(guān)注。對隧道ZK76+419～ZK76+434段初支質(zhì)量采用Sir-4000型雷達,400 MHz天線進行無損檢測,測量時窗為40 ns,測量模式為連續(xù)測量。該施工段初支設(shè)計參數(shù)為:Φ22L=3.0 m藥卷錨桿,C25噴射砼厚為28 cm,22b型工字鋼支護,工字鋼間距為100 cm。

圖11為隧道ZK76+419～ZK76+424左拱腰處初支檢測地質(zhì)雷達反射剖面,由圖可以看出,鋼拱架處電磁波相位反轉(zhuǎn),弧形反射明顯,深層部位電磁波同相軸較連續(xù),表明該段初支質(zhì)量良好,無明顯缺陷。

圖11 隧道初支無缺陷雷達反射剖面Fig.11 Defect free radar reflection profile for initial tunnel support

圖12為隧道ZK76+419～ZK76+424右拱腰處初支檢測地質(zhì)雷達反射剖面,由圖12可以看出,第3榀和第4榀鋼拱架之間電磁波反射同相軸連續(xù)性較差,層間波形雜亂,局部呈蜂窩狀,部分位置出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn),推測為不密實。

圖12 隧道初支右拱肩不密實缺陷雷達反射剖面Fig.12 Radar reflection profile of incomplete defects in the right arch shoulder of the initial support of the tunnel

圖13為隧道ZK76+419～ZK76+424拱頂處初支檢測地質(zhì)雷達反射剖面,從圖13可以看出,第4榀和第5榀鋼拱架之間電磁波反射同相軸明顯錯斷,層間波形雜亂,多次反射特征明顯,同相軸振幅異常增大或減小,與正演模擬結(jié)果圖2中的電磁波反射特征較一致,推測為局部脫空,脫空區(qū)間為ZK76+422.4～ZK76+423.4。

圖13 隧道初支拱頂脫空缺陷雷達反射剖面Fig.13 Radar reflection profile of the first support arch roof void defect in the tunnel

圖14為脫空位置ZK76+423鉆孔驗證記錄,頂拱位置檢測結(jié)果與鉆孔結(jié)果揭露的脫空位置及深度完全吻合,證明了雷達反射剖面解譯的可靠性。

圖14 隧道初支脫空缺陷開孔驗證Fig.14 Verification of hole opening for void defects in tunnel primary support

3.3 二襯實測案例

對天山勝利隧道YK76+130～YK76+245段二襯質(zhì)量采用Sir-4000型雷達,400 MHz天線對該隧道初支質(zhì)量進行無損檢測。隧道二襯設(shè)計參數(shù)為:采用C22型鋼筋支護,鋼筋間距為0.2 m*0.2 m,二襯厚度為40 cm。圖15為某工地隧道二襯實測無缺陷剖面,該剖面反映二襯鋼筋弧形反射明顯,無明顯缺筋情況,反射剖面深度調(diào)零較正后,深度滿足設(shè)計要求。

圖15 隧道二襯實測無缺陷剖面Fig.15 Measured defect free profile of tunnel secondary lining

圖16紅色方框YK76+187.2～YK76+188.4內(nèi)反射信號突然增強,同相軸錯亂,局部呈帶狀或三角形展布,深部伴有多次反射信號,與正演模擬結(jié)果圖2中的電磁波反射特征較一致,推測為脫空。

圖16 隧道二襯含缺陷剖面Fig.16 Section with defects in the secondary lining of the tunnel

3.4 小結(jié)

對于隧道襯砌而言,雷達掃描介質(zhì)常見的有混凝土、鋼筋、鋼拱架、電纜、裂隙水等,對于已知的介質(zhì)模型,可認(rèn)為雷達掃描的是各向同性介質(zhì),綜合隧道襯砌質(zhì)量正演模型及實測剖面地質(zhì)雷達電磁波反射特征,現(xiàn)場檢測人員能夠?qū)@些反射特征有充分的認(rèn)識,根據(jù)實時檢測顯示剖面快速判斷缺陷類型精確定位缺陷位置,將大大提高檢測效率。筆者整理出隧道襯砌典型缺陷或標(biāo)志物地質(zhì)雷達電磁波反射特征對照表(表3),可根據(jù)雷達剖面異常反射特征性質(zhì)定性判斷標(biāo)志物類別或缺陷類型。

表3 隧道襯砌典型缺陷或標(biāo)志物地質(zhì)雷達電磁波反射特征對照表Tab.3 Comparison table of typical defects or markers in tunnel lining and geological radar electromagnetic wave reflection characteristics

4 結(jié)論

筆者針對隧道襯砌中常見的缺陷類型,結(jié)合實際情況利用高階FDTD法建立隧道初支、二襯正演模型,結(jié)合地質(zhì)雷達實測數(shù)據(jù)及驗孔結(jié)果得出以下結(jié)論:

1)利用高階FDTD法對隧道襯砌質(zhì)量地質(zhì)雷達探測進行了二維正演模擬,并結(jié)合實測數(shù)據(jù)進行了對比分析,驗證了高階FDTD法的有效性,加深了對GPR電磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律的理解和掌握,有助于更好地指導(dǎo)地質(zhì)雷達資料的判讀及解譯。

2)初支正演模擬和實測資料的雷達反射剖面顯示,鋼拱架對雷達信號產(chǎn)生較強能量的弧形反射,電磁波反射同相軸錯亂,深部多次波反射較明顯。有缺陷部位同相軸錯亂、層間波形雜亂,部分位置出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)。

3)二襯正演模擬和實測資料的雷達反射剖面顯示,凝土塊體層間無明顯反射,而鋼筋網(wǎng)對雷達信號產(chǎn)生較強能量的反射,反射振幅較大,在雷達剖面上表現(xiàn)為向下彎曲的雙曲線型弧形反射,弧形頂部為鋼筋頂部所在的位置,淺層鋼筋及部分缺陷容易辨別,未經(jīng)處理的原始剖面不易辨識模型深部信息。PVC管、預(yù)埋件、結(jié)構(gòu)縫、混凝土振搗不均勻、混凝土裂縫等原因產(chǎn)生的二襯脫空、不密實等缺陷在雷達反射剖面上表現(xiàn)為強振幅反射,反射波相位為負(fù),而鋼筋反射的相位一般為正。

4)根據(jù)多年隧道襯砌質(zhì)量檢測工作經(jīng)驗及正演模擬結(jié)果,總結(jié)了隧道襯砌典型缺陷或標(biāo)志物的電磁波反射特征,這些特征對于現(xiàn)場檢測人員快速判讀、解譯采集的雷達數(shù)據(jù)有重要參考作用,有助于提高一線作業(yè)人員的檢測效率,該工作也為后續(xù)機器學(xué)習(xí)自動判讀隧道襯砌缺陷類型和位置打下了基礎(chǔ)。