隧道襯砌鋼筋背后脫空的地質(zhì)雷達(dá)正演模擬與探測(cè)

■鄧國(guó)文

（福州市城投檢測(cè)科技有限公司，福州 350011）

隧道是公路、鐵路的重要組成部分，隧道施工程序繁多，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)均會(huì)給隧道結(jié)構(gòu)安全留下隱患，而隧道屬于隱蔽工程，完工后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量無法直觀體現(xiàn)，采取快速、有效的方法對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為必要。

在圍巖穩(wěn)定性較差區(qū)域，一般在襯砌中布置鋼筋網(wǎng)以滿足結(jié)構(gòu)安全需要，近幾年來，為防止隧道拱頂因應(yīng)力集中而出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，常在拱頂區(qū)域布置鋼筋網(wǎng)片。 鋼筋網(wǎng)的出現(xiàn)影響了襯砌澆筑過程中混凝土的流動(dòng)，常在鋼筋網(wǎng)背后出現(xiàn)脫空或不密實(shí)缺陷，成為結(jié)構(gòu)安全隱患。 因電磁波傳播到鋼筋處會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射和衍射影響，對(duì)鋼筋背后病害在雷達(dá)上的成像產(chǎn)生很大干擾。 本文針對(duì)鋼筋背后病害雷達(dá)探測(cè)難題，以雙層鋼筋現(xiàn)場(chǎng)布置參數(shù)為基礎(chǔ)，建立合理的正演模型，對(duì)鋼筋背后脫空進(jìn)行雷達(dá)正演模擬，分析不同條件下的雷達(dá)圖像特征，對(duì)布設(shè)有鋼筋的襯砌質(zhì)量雷達(dá)圖像解譯具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)基本原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法是通過發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖波形式向隧道襯砌發(fā)射，電磁波在襯砌中傳播，遇到存在介電常數(shù)差異的界面時(shí)，電磁波會(huì)產(chǎn)生反射，接收天線接收反射回來的電磁波，經(jīng)系統(tǒng)處理獲得雷達(dá)圖像，通過對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行處理、解譯，達(dá)到探測(cè)襯砌質(zhì)量目的的一種無損檢測(cè)方法（圖1）。

圖1 雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波傳播到存在介電常數(shù)差異的界面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。 在界面上的反射遵守反射定律，反射強(qiáng)度取決于反射系數(shù)R：

式中：ε1、ε2分別為界面上、下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

混凝土、鋼筋、空氣三者存在顯著的介電常數(shù)差異，由式（1）可知，當(dāng)電磁波由混凝土傳播到鋼筋表面上時(shí)，反射系數(shù)R 為負(fù)，當(dāng)電磁波由混凝土傳播到脫空界面上時(shí)，反射系數(shù)R 為正，因此，混凝土中的鋼筋和脫空的雷達(dá)圖像特征區(qū)別明顯。

1.2 目標(biāo)回波雙曲線特征

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中含有點(diǎn)狀目標(biāo)體（包括非弧形端點(diǎn)）時(shí)，目標(biāo)體的反射回波在雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)近似雙曲線的形狀[1-2]，近似雙曲線的軌跡及開口大小與探測(cè)目標(biāo)體的具體形狀有關(guān)。 雙曲線公式如下：

式中，t0=2z0/v，v 為電磁波在介質(zhì)中傳播速度，x0和z0為目標(biāo)體的水平坐標(biāo)和深度坐標(biāo)，關(guān)系曲線如圖2 所示：

圖2 點(diǎn)狀目標(biāo)體回波雙曲線原理

點(diǎn)狀目標(biāo)體所產(chǎn)生的雙曲線對(duì)周邊及下方的其他目標(biāo)體的雷達(dá)成像會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，從而降低雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確性，干擾程度與點(diǎn)狀目標(biāo)體的大小、點(diǎn)狀體與周邊介質(zhì)介電常數(shù)差異的大小、點(diǎn)狀體與周邊目標(biāo)體的距離有關(guān)。

2 隧道襯砌質(zhì)量正演模擬及其圖像特性

鐵路隧道襯砌中雙層鋼筋主要布置在圍巖較差的區(qū)段，因鋼筋影響混凝土澆筑而導(dǎo)致的脫空主要分布于鋼筋網(wǎng)及其背后，以鐵路隧道襯砌鋼筋常見的布置間距及鋼筋直徑參數(shù)為基礎(chǔ)， 應(yīng)用GPRMax2.0 雷達(dá)模擬軟件建立正演模型，模擬雙層鋼筋、脫空及鋼筋背后脫空3 種隧道襯砌質(zhì)量的雷達(dá)圖像，綜合分析鋼筋背后脫空在雷達(dá)圖形上的特征[3-6]。

2.1 雙層鋼筋背后結(jié)構(gòu)完好

在圍巖等級(jí)為Ⅳ、Ⅴ級(jí)時(shí)，隧道需通過在襯砌中布置鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，鋼筋為雙層鋼筋，常見規(guī)格為鋼筋直徑25 mm，水平間距0.20 m，兩層鋼筋間距0.25 m，采用此參數(shù)建立正演模型，如圖3 所示。

圖3 雙層鋼筋背后結(jié)構(gòu)完好模型

電磁波由混凝土傳播到鋼筋表面時(shí)，為相對(duì)介電常數(shù)小的介質(zhì)向大的介質(zhì)傳播，由反射系數(shù)公式可知，反射系數(shù) 為負(fù)，即電磁波相位與入射波相位相反。由正演模擬結(jié)果（圖4）可知，第一層鋼筋分布在雷達(dá)圖像上清晰顯示，第二層鋼筋受第一層鋼筋雙曲線反射干擾，雷達(dá)圖像難以準(zhǔn)確辨別，兩層鋼筋間的完整混凝土中存在干擾信號(hào)；以高頻反射信號(hào)為主，雙層鋼筋背后呈較規(guī)律干擾信號(hào)，嚴(yán)重影響鋼筋網(wǎng)片背后的探測(cè)。

圖4 雙層鋼筋背后結(jié)構(gòu)完好模型的數(shù)值模擬成果圖

2.2 無鋼筋襯砌中脫空

襯砌脫空是混凝土在澆筑過程中因填充不滿、不實(shí)或混凝土自身收縮而形成的，常見于隧道拱頂部位，是隧道襯砌常見的病害之一。 空氣和混凝土兩者介電常數(shù)差異明顯，為研究不同大小脫空（深度方向）在鋼筋影響下的雷達(dá)圖像特征，建立了脫空尺寸（深度方向）為0.1 m、0.2 m 和0.3 m 的正演模型（圖5）。

圖5 無鋼筋襯砌中脫空模型

電磁波由混凝土傳播到脫空上界面時(shí)，為相對(duì)介電常數(shù)大的介質(zhì)向小的介質(zhì)傳播，由反射系數(shù)公式可知，反射系數(shù)γ 為正，即電磁波傳播到交界面后，電磁波相位與入射波相位相同；而在脫空的下界面，電磁波則是由相對(duì)介電常數(shù)小的介質(zhì)向大的介質(zhì)傳播，反射系數(shù)γ 為負(fù)，即電磁波相位與入射波相位相反。正演模擬結(jié)果（圖6）顯示，在模擬條件下，脫空上界面的兩端，雙曲線反射明顯，空洞上方的反射較端點(diǎn)雙曲線反射信號(hào)更強(qiáng)，3 種尺寸的脫空上、下界面均可見，可準(zhǔn)確判斷出脫空的大小，脫空尺寸越大（深度方向），空洞上、下界面的雷達(dá)反射信號(hào)越明顯，出現(xiàn)等間距的多次反射，高頻信號(hào)衰減較快。

圖6 無鋼筋襯砌中脫空模型的數(shù)值模擬成果圖

2.3 雙層鋼筋背后脫空

雙層鋼筋容易導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。 鋼筋背后出現(xiàn)脫空可能是雙層鋼筋導(dǎo)致的混凝土不實(shí)，也可能是其他因素造成的，因此鋼筋背后的脫空大小不一。 為了研究不同大小脫空在鋼筋背后情況下的雷達(dá)圖像特征，分別建立了鋼筋背后脫空大小（深度方向）為0.1 m、0.2 m 和0.3 m 的3 種正演模型（圖7）。

圖7 鋼筋背后脫空模型

綜合之前的模擬結(jié)果（圖4、圖6），對(duì)比分析鋼筋背后脫空的正演模擬結(jié)果（圖8），鋼筋信號(hào)與脫空信號(hào)相互影響， 脫空區(qū)域下方同相軸不連續(xù)，脫空信號(hào)受鋼筋信號(hào)影響嚴(yán)重，脫空上界面輪廓依稀可見，空洞越大（深度方向）界面越明顯，但反射信號(hào)相對(duì)鋼筋信號(hào)而言較弱，而脫空的下界面無法判斷。 因此，存在較多干擾因素的隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)未必能準(zhǔn)確判斷出脫空情況。

圖8 鋼筋背后脫空數(shù)值模擬成果圖

3 實(shí)例分析

實(shí)例1：此異常位于某鐵路工程DK29+907～DK29+912 拱頂位置，設(shè)計(jì)資料顯示，此段隧道圍巖級(jí)別為Vb，二次襯砌厚度50 cm，布置雙層鋼筋，鋼筋間距20 cm。雷達(dá)圖像顯示DK29+908～DK29+910段拱頂深度40～49 cm 處存在信號(hào)異常，如圖9 所示，鋼筋網(wǎng)下方雷達(dá)圖像同相軸不連續(xù)，但脫空信號(hào)不明顯，根據(jù)模擬結(jié)果懷疑此處存在脫空現(xiàn)象，因雙層鋼筋干擾，脫空信號(hào)可能被遮掩。 為了避免出現(xiàn)錯(cuò)判、漏判情況，對(duì)雷達(dá)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖10所示，在DK29+908.2 處鉆孔，并采用內(nèi)窺鏡驗(yàn)證，鉆孔深度57 cm，在57 cm 處遇到防水板，0～40 cm混凝土完好，40 ～57 cm 為脫空，脫空上界面位于第一層鋼筋與第二層鋼筋之間，脫空大小（深度方向）為17 cm，但在雷達(dá)圖像上無明顯特征，僅出現(xiàn)同相軸不連續(xù)現(xiàn)象。

圖9 DK29+907～DK29+912 拱頂雷達(dá)圖像及DK29+908.2 處的單道波形

圖10 DK29+908.2 拱頂驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)例2：此異常位于某鐵路工程DK28+165～DK28+170 拱頂位置，設(shè)計(jì)資料顯示，此段隧道圍巖級(jí)別為Ⅴa，二次襯砌厚度50 cm，布置雙層鋼筋，鋼筋間距20 cm。雷達(dá)圖像顯示拱頂DK28+165.5～170段，深度27～40 cm 處存在信號(hào)異常，如圖11 所示，鋼筋下層出現(xiàn)強(qiáng)反射，以低頻信號(hào)為主，出現(xiàn)多次反射，疑似脫空，但同相軸基本連續(xù)。 為驗(yàn)證判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖12 所示，在DK28+167.8 處鉆孔，并采用內(nèi)窺鏡驗(yàn)證，鉆孔深度53 cm，0～53 cm 混凝土均完好，不存在脫空現(xiàn)象。 因此，在雙層鋼筋影響下，即便雷達(dá)圖像出現(xiàn)明顯的脫空信號(hào)也未必一定存在脫空。

圖11 DK28+165～DK28+170 拱頂雷達(dá)圖像及DK28+167.8 處的單道波形

圖12 DK28+167.8 拱頂驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)語

本文在隧道襯砌常用鋼筋參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立雙層鋼筋、 脫空及鋼筋背后脫空等3 種正演模型，通過GPRMax2.0 雷達(dá)模擬軟件模擬獲得相應(yīng)雷達(dá)圖像，從波形特征、頻率、相位等特征方面對(duì)正演結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合隧道襯砌雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及鉆芯驗(yàn)證結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1）選用合適的雷達(dá)天線能清晰顯示脫空的上、下界面，分析出空洞大小，電磁波在空洞兩端易出現(xiàn)雙曲線反射，空洞上方的反射明顯較端點(diǎn)處弧形反射強(qiáng)；（2）地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)襯砌雙層鋼筋時(shí)， 選用合適的雷達(dá)天線能清晰、準(zhǔn)確地檢測(cè)到首層鋼筋，下層鋼筋受上層鋼筋影響較大，無法準(zhǔn)確探測(cè)；鋼筋下層空洞區(qū)域同相軸不連續(xù)，空洞下界面在雷達(dá)圖像上無顯示，上界面信號(hào)相對(duì)較弱，易被干擾信號(hào)覆蓋，常難以獲得可靠的脫空界面信號(hào)；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)合理調(diào)節(jié)增益參數(shù)，降低干擾信號(hào)反射強(qiáng)度，突出目標(biāo)體反射信號(hào)；（3）雙層鋼筋背后脫空檢測(cè)是雷達(dá)檢測(cè)的難題，存在較多的干擾信號(hào)，雷達(dá)圖像上明顯的脫空信號(hào)也未必是隧道襯砌內(nèi)部的真實(shí)反映，為提高檢測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性，應(yīng)提高雙層鋼筋下方異常信號(hào)的驗(yàn)證比例。