隧道衬砌混凝土空洞的雷达探测研究

孙庆合

【摘 要】隧道衬砌混凝土背后容易出现空洞，进而影响整个隧道的结构安全。本文针对隧道衬砌混凝土空洞的特点，使用Vivaldi雷达天线对该类型空洞进行分析和仿真实验研究，结果表明，该探地雷达适宜探测隧道衬砌背后存在的空洞，其发射天线和接收天线的互耦作用在数据处理的过程中可以消除掉；钢筋间距较密时，雷达天线系统的效率也会下降。

【关键词】隧道；衬砌混凝土；空洞；探地雷达

0 前言

公路和铁路隧道在使用混凝土进行衬砌过程中，由于施工作业环境的复杂性或施工管理不善造成隧道衬砌背后出现较大空洞，这对衬砌隧道的结构安全埋下了隐患，因此有必要及时隧道衬砌进行空洞检测，以采取应对措施，预防安全事故的发生。目前，对空洞的检测主要采用探地雷达，探地雷达在使用过程中，其特性会受到地层特性和地下媒质中的异常体的影响，地层特性中对雷达天线特性影响较大的因素主要是介电常数和电导率；同时地层中会存在各种各样的异常体，其中金属对探地雷达的影响最大，因此本文首先对这些因素的影响进行研究分析。

1 地层特性对雷达天线辐射场的影响

探地雷达的探测目标为地层或者各种结构物，如混凝土结构等，而地层和混凝土等会对天线的辐射方式产生影响，因此在进行天线设计时，也需要考虑地层和天线之间的相互作用。本文以Vivaldi雷达天线为例进行分析，该天线H平面（YOZ平面）在空气和地层中的电场分布示意图。天线位于地层上方高度h=3cm处，地层的相对介电常数？棕？酌=5，电导率？滓=0S/m，采用时域有限差分法（FDTD）进行模拟，模拟时频率为f=1GHz。其物理意义可以解释如下（图1）：电磁波在空气和地层中呈球状进行传播，并且传播速度不同，由于传播速度的差异，在空气和地层分界面上会产生折射现象。由于电场和磁场的能流密度是连续的，电场和磁场分布也是连续的，所以在边界面上会产生侧面波，且侧面波与边界面的夹角即为折射临界角（？兹=38°）。侧面波在空间呈圆锥状分布，开始于地层波的切线处，止于地层空气分界面，侧面波则可以视为空间波的波前。地层波的波前则为图中所示的衰减波，衰减波较难观测到，因为其在空气中会以指数形式衰减，因此只能在地层上方很小范围内可以探测到。

由于探地雷达天线辐射场存在于损耗媒质中，辐射场强度随着传播距离的增大迅速衰减，利用天线辐射远场分布来描述天线的方向性并不太合适，而且，探地雷达的探测深度一般也仅在几倍波长到十几倍波长，并不一定在工作在天线的远场范围。因此，在分析时除了分析天线的远场特性外，还应分析距天线一定距离的地层内的近场分布来观察天线的方向特性。由于本文使用天线用于隧道衬砌及背后空洞的检测，而隧道衬砌厚度一般不超过65cm，再加上喷射混凝土厚度一般为20cm左右，因此本文在分析近场特性时，取天线下方厚度约90cm（因分析时频率设置为1GHz，波长？姿=30cm，90cm即为3？姿）范围内地层的场分布进行分析。

2 地下媒质中异常体对电磁波的散射

雷达天线的探测效果不仅取决于天线的辐射场的强度和方向性等，还与探测目标的散射特性相关。探测目标对电磁波的散射特性比较复杂，不仅取决于目标的电磁参数，还与目标的形状、大小等相关，下面简单讨论几种在雷达探测隧道病害过程中比较常见的异常体对电磁波的散射问题。分析时均采用有限差分方法（FDTD）。

2.1 空洞对电磁波的散射

衬砌背后空洞是运营隧道中比较常见的一种病害，这里考虑一种比较简单的情况，假设空洞位于各向同性的均匀地层中，且？棕？酌=5，？滓

=0.01S/m，空洞顶部距离地表深度为20cm。将发射天线和接收天线平行放置在地层上方，相距20cm，发射天线和接收天线均为VivaldiⅠ型天线。天线距离地层表面距离为3cm（0.1？姿），空洞宽度为40cm，高度20cm，空洞内充满空气（？棕？酌=1，？滓=0S/m）。

采用时域有限差分法进行模拟，图2是地层中近场的电场分布情况。可以发现，由于空洞的存在，电磁波会在空洞的边界面上形成多次的反射，反射信号会被接收天线所接收，这些反射信号与均匀地层的反射信号会有明显的区别，可见使用探地雷达探测隧道衬砌背后存在的空洞是比较理想的方法。

图3为仿真得到的有空洞时接收天线的回波电流。图中脉冲信号1是发射脉冲直接耦合到接收天线的结果，脉冲2才是空洞产生的回波电流，可以看出空洞的回波电流是一串较小的脉冲，正是由于电磁波在空洞内的多次反射形成的。发射天线和接收天线的互耦可以看作是一种背景噪声，它在整个测量过程中是保持不变的，在数据处理的过程中是可以消除掉的。

2.2 钢筋对电磁波的散射

隧道衬砌中为改善混凝土受力，均配有主筋（受力钢筋）及构造钢筋，钢筋对探地雷达探测的影响也很大。为了解钢筋对电磁波的影响，假设钢筋位于各向同性的均匀地层（混凝土）中，且？棕？酌=5，？滓=0.01S/m，钢筋共上下两排，直径为？渍=28mm，保护层厚度约为5cm，混凝土厚度60cm。将发射天线和接收天线平行放置在地层上方，相距20cm，发射天线和接收天线均为VivaldiⅠ型天线。天线距离地层表面距离为3cm（0.1？姿）。考虑两种不同的钢筋间距，d=10cm和d=20cm

图4是地层中近场的电场分布情况。可以发现，电磁波到达钢筋所在位置时，由于钢筋的尺寸较小，电磁波会“绕过”钢筋继续传播，但是由于钢筋的屏蔽作用依然存在，电磁波绕过钢筋之后，其电场分布没有在均匀地层中那么连续，而且在钢筋的下方会有一个很小的探测“盲区”，不过这个盲区不会影响对其他病害的探测。

图5和图6为仿真得到的钢筋间距分别为10cm和20cm时接收天线的回波电流。图中脉冲信号1是发射脉冲直接耦合到接收天线的结果，脉冲2是钢筋产生的回波电流，可以看出，二者的回波电流基本相同。钢筋的回波电流是一个较小的脉冲，是由于钢筋对电磁波的反射而形成的，不过由于钢筋的截面尺寸较小，所以反射信号比较弱。

表1为不同钢筋间距时天线系统的辐射效率和总效率以及主瓣方向的增益对比，可以看出钢筋间距较密时，系统的效率也会下降，主瓣增益也会降低。这是由于钢筋间距越密，在钢筋上产生的感应电流总数越多，因此也会消耗更多的辐射能量，所以才会导致系统效率的下降。

3 结论

根据本文的研究分析可以得出如下结论：

（1）使用探地雷达探测隧道衬砌背后存在的空洞是比较理想的方法；

（2）雷达发射天线和接收天线的互耦可以看作是一种背景噪声，它在整个测量过程中是保持不变的，在数据处理的过程中是可以消除掉的。

（3）钢筋间距较密时，雷达天禧系统的效率也会下降，主瓣增益也会降低。

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[责任编辑：邓丽丽]