基于地質(zhì)雷達圖像的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測分析

摘" 要：常規(guī)的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測以特征分析為主，忽視了介電常數(shù)等干擾因素，影響了質(zhì)量檢測的準確性。因此，設(shè)計了基于地質(zhì)雷達圖像的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法。提取隧道工程襯砌施工電磁波特征，判斷襯砌施工區(qū)域的時變電荷；接收地質(zhì)雷達天線極化方向上的反射信號，并剔除直達波的干擾，避免沖激響應(yīng)對質(zhì)量檢測的影響；修正隧道襯砌時間窗雷達波形，消除均值偏移，從而實現(xiàn)施工質(zhì)量的精準檢測。實例分析驗證了該方法的質(zhì)量檢測準確性更高，能夠應(yīng)用于實際生活中。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達圖像" 隧道工程" 襯砌施工" 施工質(zhì)量" 檢測方法

中圖分類號：TB52.9

Analysis of Quality Inspection of Tunnel Lining Construction Based on Geological Radar Images

CHEN Jinfeng

Beijing Tiecheng Testing and Certification Co.， Ltd.， Beijing， 100163 China

Abstract： The conventional tunnel lining construction quality inspection mainly focuses on characteristic analysis， ignoring the interference factors such as dielectric constant， which affects the accuracy of quality inspection. Therefore， a quality detection method of tunnel lining construction based on geological radar image is designed. It extracts the electromagnetic wave characteristics of tunnel lining construction， and determines the time-varying charge of lining construction area; It receives the reflection signal in the polarization direction of the georadar antenna， and eliminates the interference of direct wave to avoid the impact of impulse response on quality detection; It corrects the radar waveform of tunnel lining time window to eliminate the mean deviation， so as to realize the accurate detection of construction quality. The case analysis proves that the method has higher quality detection accuracy and can be applied in real life.

Key Words： Geological radar image; Tunnel engineering; Lining construction; Construction quality; Detection method

隧道工程是一項復雜的建筑工程，隧道施工包含開挖、支護、排水等步驟，支護是其中的重要環(huán)節(jié)。襯砌施工作為隧道工程的主要支護環(huán)節(jié)，能夠利用混凝土等材料，提高隧道結(jié)構(gòu)的強度，避免圍巖變形的問題。然而，襯砌施工受到地質(zhì)環(huán)境影響，出現(xiàn)施工安全問題。針對此類問題，研究人員設(shè)計了多種施工質(zhì)量檢測方法。

其中，何兆益等人[1]基于YOLO v5-IBX網(wǎng)絡(luò)模型的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法，提高襯砌施工質(zhì)量特征的檢測精度。但該方法高度依賴訓練數(shù)據(jù)的質(zhì)量與數(shù)量，數(shù)據(jù)集存在偏差，會影響檢測結(jié)果。崔廣炎等人[2]基于改進Faster R-CNN的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法，提高施工質(zhì)量檢測精度。但該方法的計算復雜度較高，容易出現(xiàn)質(zhì)量檢測偏差的問題。因此，本文結(jié)合了地質(zhì)雷達圖像的優(yōu)勢，設(shè)計了隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法。

1" 地質(zhì)雷達圖像檢測方法設(shè)計

1.1" 提取隧道工程襯砌施工的電磁波特征

隧道襯砌是隧道基本結(jié)構(gòu)的最外層，為圍巖提供臨時受力。襯砌施工厚度在30～140 cm的范圍內(nèi)，隧道開挖局部超挖的區(qū)域，容易導致襯砌層與圍巖之間存在空洞，影響隧道工程的施工安全[3]。本文根據(jù)隧道襯砌層的電磁波特性，分析襯砌施工的空洞、脫空等問題，為回填層填筑提供保障。本文利用4個場量，描述了電磁波的變化特征，公式如下：

式（1）至式（4）中，為磁通量密度；為時變電荷；為靜止電荷；為電位移；為電荷密度；為磁場強度；為電場散度；為電場旋度；為電流；為導數(shù)；為時刻；為電場強度[4]。根據(jù)磁通量密度、電位移、磁場強度、電場強度，判斷襯砌施工區(qū)域的時變電荷，為后續(xù)襯砌施工質(zhì)量檢測提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 構(gòu)建隧道工程襯砌質(zhì)量檢測模型

在地質(zhì)雷達使用的過程中，對整個儀器進行檢測，在儀器完好、探測部件運行正常的條件下，開始采集隧道工程襯砌質(zhì)量圖像[5]。根據(jù)襯砌施工現(xiàn)場環(huán)境，現(xiàn)場標定對應(yīng)的介電常數(shù)。根據(jù)電磁波原理探測襯砌施工質(zhì)量。地質(zhì)雷達工作原理如圖1所示。

如圖1所示，E1為從發(fā)射天線發(fā)出的初始電磁波；E2為從地下介質(zhì)反射回來的電磁波。通過A-scan、B-scan與C-scan的掃描方式，接收地質(zhì)雷達天線極化方向上的反射信號，并剔除直達波的干擾，避免沖激響應(yīng)對質(zhì)量檢測的影響。隧道工程襯砌質(zhì)量檢測模型表達式如下：

式（5）中：為地質(zhì)雷達接收質(zhì)量檢測信號的線性模型表達式；為直耦波；為直達波；為反射回波分量；為地質(zhì)雷達的噪聲干擾；為激勵信號；、為沖擊響應(yīng)函數(shù)；為互耦響應(yīng)函數(shù)。在隧道工程襯砌施工區(qū)域，地質(zhì)情況較為復雜，介質(zhì)表面粗糙度不固定，的干擾作用較明顯。剔除，確保襯砌施工質(zhì)量檢測模型的檢測準確性。

1.3 修正隧道襯砌時間窗雷達波形

受到天線與介質(zhì)表層互耦作用的影響，檢測模型的準確性有所降低。因此，本文將模型檢測輸出波形進行修正，消除均值偏移。將時間窗、中心頻率、垂直分辨率等因素考慮在內(nèi)，修正隧道襯砌時間窗雷達波形，從而實現(xiàn)施工質(zhì)量的精準檢測。雷達波形修正公式如下：

式（6）中：為修正后的地質(zhì)雷達波形；為t時刻掃描到的第i條雷達圖像數(shù)據(jù)；為掃描次數(shù)。在不同的介質(zhì)時間窗條件下，雷達掃描深度不同。在巖石層，2 500 s掃描深度在100 m左右。在濕土壤區(qū)域，5 000 s掃描深度在100 m左右。在干土壤區(qū)域，2 000 s掃描深度在100 m左右。而掃描深度又與中心頻率有關(guān)，中心頻率從1 000 MHz變化到10 MHz的過程中，對應(yīng)著掃描深度從0.5 m變化到50 m。在實施隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測的過程中，地質(zhì)雷達以垂向分布的層狀介質(zhì)掃描為主，空間分辨率由垂直分辨率決定，在滿足地質(zhì)雷達圖像分辨率需求的條件下，降低中心頻率，真正意義上提高圖像檢測的準確性。

2" 實例分析

2.1" 工程概況

為了驗證本文方法，以X鐵路隧道工程為例，對上述方法進行了實驗分析。X鐵路隧道工程位于河流右岸山中，位處于河谷地區(qū)，地形起伏明顯，地勢陡峭，自然山體坡度在30°～60°的范圍內(nèi)。隧道進口里程為DK1334+955，出口里程為DK1335+716，總長度約為800 m。隧道采用襯砌施工的方式，并利用地質(zhì)雷達檢測襯砌施工質(zhì)量。本次工程采用EKKO100型地質(zhì)雷達，選用500 MHz、900 MHz屏蔽天線一套，確保襯砌施工質(zhì)量檢測的準確性。檢測到的雷達圖像如圖2所示。

如圖2所示，通過地質(zhì)雷達圖像內(nèi)容，確定襯砌施工質(zhì)量的問題，判斷檢測方法的準確性。

2.2" 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文將地質(zhì)雷達檢測測線1～5作為檢測范圍，確定了襯砌施工質(zhì)量的問題，缺陷深度、缺陷范圍等指標。在其他條件均已知的情況下，使用本文設(shè)計的基于地質(zhì)雷達圖像的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法之后，應(yīng)用結(jié)果如表1所示。

如表1所示，已知，在測線1、5位置上，并未發(fā)現(xiàn)明顯的質(zhì)量問題。在測線2位置上，發(fā)現(xiàn)襯砌內(nèi)部不密實、襯砌背后回填不密實的質(zhì)量問題。在測線3位置上，發(fā)現(xiàn)襯砌背后脫空的質(zhì)量問題。在測線4位置上，發(fā)現(xiàn)襯砌內(nèi)部不密實、襯砌背后脫空等質(zhì)量問題。使用本文設(shè)計的基于地質(zhì)雷達圖像的隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法之后，缺陷類型檢測準確，缺陷深度、范圍與實際一致。由此可見，本文設(shè)計的方法，能夠有效地檢測出隧道工程襯砌施工的質(zhì)量問題，符合本文研究目的。

3" 結(jié)語

本文利用地質(zhì)雷達圖像，設(shè)計了隧道工程襯砌施工質(zhì)量檢測方法。從電磁波傳播特征、檢測模型、雷達波修正等方面，分析了地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分、物理性質(zhì)，精確地檢測出了襯砌內(nèi)部空洞、填實、脫空等缺陷。通過地質(zhì)雷達圖像檢測，獲取了襯砌施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像，直觀地呈現(xiàn)了施工質(zhì)量情況。并通過對圖像的解析與處理，提取出襯砌內(nèi)部缺陷的范圍、深度等關(guān)鍵信息，真正意義上提高了襯砌施工質(zhì)量檢測的準確性，為隧道工程的建設(shè)提供安全保障。

參考文獻

[1]何兆益，常寶霞，吳逸飛，等.基于YOLO v5-IBX網(wǎng)絡(luò)模型的公路隧道襯砌裂縫檢測方法研究[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2023，39（5）：888-898.

[2]崔廣炎，王艷輝，徐杰，等.基于改進Faster R-CNN的隧道襯砌中離散實體目標自動檢測研究[J].鐵道學報，2024，46（2）：171-180.

[3]包小華，李浚弘，陳湘生，等.水下盾構(gòu)隧道管片拼裝質(zhì)量控制方法研究現(xiàn)狀與展望[J].隧道建設(shè)（中英文），2024，44（4）：643-662.

[4]楊紅文，朱德祥，馮國建.GPR技術(shù)在高速公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù)，2023，59（11）：9-13，23.

[5]杜義康，羅建利，郭瑜.基于深度遷移學習的鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害檢測研究[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2023，48（4）：45-54.