探地雷达衬砌检测典型缺陷图像特征研究

刘艺玮

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

探地雷达近年来在工程检测领域中的使用急速增加，特别是在一些重要工程项目中，质量检测广泛采用雷达技术。铁路公路隧道衬砌、高速公路路面、机场跑道等工程结构普遍采用地质雷达检测。隧道衬砌作为支持和维护隧道长期稳定和耐久性的永久结构物，若是存在空洞、不密实等缺陷会将会对衬砌结构的安全性、耐久性产生显著影响，造成大量人力、物力的浪费。因此，在进行衬砌无损检测中，能够快速准确的指明衬砌缺陷类型与位置并进行相应的处治，可以降低在后续施工与运营中发生灾害的风险。本文利用gprMax正演模拟软件对隧道衬砌无损检测中典型缺陷图像特征进行研究。

1 基本原理

1.1 探地雷达基本原理简介

探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中的传播性质会由于材质物理性质的改变而发生变化，因此，根据电磁波的传播特性的变化，可以推测传播介质中引起电磁波传播特性变化的物体所在的位置。

探地雷达的电磁波在介质中传播的速度可近似表示为下式：

式中：c为电磁波在空气中的传播速度，为3×108m/s；εr为传播介质的相对介电常数。

1.2 GprMax正演模拟原理简介

GprMax是一款被设计用于模拟探地雷达或是其他类型电磁波传播的软件。通过基于有限差分时域(FDTD)原理将空间和时间离散化，在3D空间中利用Yee算法求解耦合的三维Maxwell旋度方程：

(1)

(2)

Yee算法在时间与空间中同时求解方程，所离散的Yee元胞如图1所示。Yee元胞使每一个磁场分量由四个电场分量环绕的同时使每一个电场分量由四个磁场分量环绕，满足法拉第感应定律和安培环路定律，并是电场与磁场在时间上交替抽样[1]，并不断循环直至完成时间步进过程。

图1 Yee元胞示意

2 衬砌空洞缺陷正演模拟

衬砌空洞往往是由于混凝土收缩、流动性差、初支不平整、施工工艺等问题造成，在衬砌缺陷中较为常见。正演模拟中对材料设置的相对介电常数如表1所示。

表1 正演相对介电常数取值

2.1 空洞类型一

本部分主要为了模拟衬砌空洞缺陷中最为常见的类型，需要注意的是由于衬砌内形成的空洞形状往往并不是规则的几何图形，为了研究缺陷图像的共同特点，这里将空洞形状简化为圆形，内部由空气填充，并将衬砌中较为常用的钢拱架简化为圆形，模型示意图如图2所示。模拟时天线在模型上方从左至右移动。

图2 空洞类型一模型

正演模拟结果如图3所示。从正演模拟结果可以看出，在因内部钢拱架与模型表面造成的强反射带中间，在模型中对应的空洞位置处也出现了数条强烈的反射带。在该强反射带内，不难看出，最上方的反射波是由于圆形空洞的上表面造成的，其下方存在数条反射波，形状均为向上弯曲的曲线形状。

图3 空洞类型一正演模拟结果

2.2 空洞类型二

在隧道二次衬砌的施工中采用泵送混凝土工艺时，若是由于拔管、停泵过早，会在衬砌中产生典型的接近于三角(弧)形空洞。此类型空洞更倾向于出现在拱顶二次衬砌接缝处[2]。模型中将空洞形状简化为三角形(图4)。天线于模型上方自左移动至右方。

图4 空洞类型二模型

模拟结果如图5所示从模拟结果看出，在模型中空洞的位置处同样出现了一条向上弯曲的反射波，反射波曲线的顶点对应的是三角形空洞的上顶点位置。空洞的边界与反射波对应的右半部分均为直线，并且在该条反射波下面(可见有反射波的存在。

图5 空洞类型二正演模拟结果

3 衬砌不密实缺陷正演模拟

衬砌不密实往往是由于振捣不均匀或是回填物不密实造成的，同样也是常见的衬砌缺陷之一。衬砌不密实往往出现在衬砌内部或是衬砌背部。采用的模拟的基本参数同表1。

建模中，将不密实缺陷视为在混凝土材料中出现的数个小型空洞，内部由空气填充，模型示意图如图6所示。模拟时天线在模型上方从左至右移动。

图6 不密实模型

正演模拟后的结果如图7所示。综合前面对于空洞模拟图像的分析，结合模拟结果，可以看出，首先在模型内部空洞出现的最上方位置，出现了典型的向上弯曲的反射波，但是由于其下方衬砌介质并不均匀(有空洞重复出现)，因此下方的反射波极为杂乱，并且同相轴错动毫无规律性，完全有别于单个空洞出现的情况。

图7 不密实正演模拟结果

4 结论

本文通过对衬砌典型缺陷进行模拟，对典型缺陷的图形特点进行研究，从而对实际检测中图像解译提供参考。对通过综合分析三次正演结果，可以得出以下结论：

(1)当衬砌内出现空洞缺陷时，在空洞与衬砌的交界面处会出现强烈的反射波，且一般情况下其下方会有反射波存在。

(2)当衬砌内出现不密实缺陷时，该出图像主要特征为该段内出现强反射，并且同相轴错断毫无规律性。

(3)对比三次模型与正演结果可以发现，图像中强反射带出现的范围与原模型中缺陷位置的范围存在一定的差异，仅凭缺陷图像准确的判定出衬砌缺陷范围是较为困难的，因此在实际情况下需要检测人员多依靠自身经验来进行判断。

本次模拟仍然存在一定的不足：

(1)实际的衬砌缺陷(空洞、不密实)形状往往并不规则，因此在实际检测中，缺陷图像往往也不是规则的。仅凭模拟很难兼顾到各种缺陷情况。

(2)在实际的检测过程中，通过调整雷达增益、滤波等手段使图像层次更加清晰，但是本次模拟中没有考虑这些因素。