瞬变电磁雷达探测盾构管片背后接触状态的模拟试验研究

叶子剑,张成平,叶 英

(1.北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室,北京 100044；2. 北京市市政工程研究院地下工程建设预报预警北京市重点实验室,北京 100037)

管片背后接触状态的检测对于隧道的安全运营非常重要,管片或衬砌背后接触不良具有极强的隐蔽性和不确定性,可引发一些次生病害,如地表沉降及隧道纵向变形、管片承载力降低等,严重危害衬砌结构的安全稳定[1-4]。传统的隧道管片背后接触状态的无损检测方法主要为地质雷达法,其相关技术也已被广泛研究和应用[5-7],但是由于地质雷达法在实际工程应用中存在检测出的图像特征不明显,对脱空的位置、尺寸等难以准确判断[8],且存在电磁波绕射明显、二衬钢筋屏蔽、作业安全隐患大、检测成本高等问题[9],这使得衬砌背后脱空检测仍为行业质量检测的难题。

不同于地质雷达法,瞬变电磁法(TEM)目前已形成了较为完备的系统,应用也很普遍。Wu等[10]利用瞬变电磁法基于岩层电阻率变化对鄂尔多斯市的煤矿采空区域进行了探测；Lin等[11]利用瞬变电磁法对水的敏感性对地下液化石油气储存中的水幕系统的有效性进行了评估；段铮等[12]和李术才等[13]对瞬变电磁法在超前地质预报中的应用进行了研究。除了通常应用于石油资源及金属矿产、地下水及工程地质环境勘察外,现有研究利用瞬变电磁法进行工程质量检测还是一个比较新的领域。

瞬变电磁法利用电磁感应原理,根据二次磁场按指数规律随时间衰减来推断地下待测介质的物理参数。相比于地质雷达法,瞬变电磁法在探测深度、探测效率、分辨率、抗干扰等方面具有一定优势,在衬砌背后接触状态检测中被看好,但是由于地下空间中隧道检测的特殊性,目前利用瞬变电磁法检测隧道管片背后脱空情况尚未有报道。针对管片衬砌背后接触状态检测,瞬变电磁法存在的主要问题有:

(1)关断时间的影响

衬砌背后接触状态检测时所需要的检测深度不高,相应需要的关断时间很短,但是目前国内外研制的测量系统都不能达到零时间关断,而且在实际工作中由于发射电流的关断时间不为零,通过接收装置所获得的瞬变电磁信号发生畸变,用于探测解释将会产生错误的结果。

(2)一次场早期信号的影响

目前,瞬变电磁法仪器在采集记录和数据处理时大部分采用晚期信号,而由于浅部结构信息主要由早期信号携带,将会在一定程度上损失针对浅部结构的探测能力。同时也会影响瞬变电磁法的分辨能力,因为关断电流的影响将使瞬变响应发生畸变。

(3)采样率的影响

瞬变电磁前期信号的特点是幅值大、变化剧烈,不像中晚期信号变化很缓慢,采样前期信号时低采样率所带来的误差会直接影响到反演精度。因而在解决动态范围的同时还要进一步提高采样率。

为解决目前管片背后接触状态检测中存在的脱空位置定位不准确、检测效果不明显等问题,弥补地质雷达探测深度上的不足,克服地面瞬变电磁法早期信号影响,针对管片背后接触状态的检测,本文基于瞬变电磁法原理[14-15],提出通过探测视电阻率变化规律识别管片背后接触状态的雷达采集装置系统——瞬变电磁雷达系统(TER)[16-18],通过模拟计算、模型试验,以及在厦门地铁2号线的工程应用,探索分析了管片背后接触状态的视电阻率变化规律,验证了仪器应用的有效性。

1 瞬变电磁雷达技术

1.1 基本原理

TEM基本原理如图1所示,探测目标体介质在一次电流脉冲场的激励下会产生涡流。在脉冲间断期间,涡流不会立即消失,而是在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率决定了二次磁场随时间衰减的规律,因此可通过接收线圈或接地电极对二次场有关信息进行测量和分析来了解异常体的空间分布,从而达到探测地下目标体的目的。

图1 TEM基本原理

隧道管片与周围岩土体的电阻率存在差异,盾构管片是有规律钢筋分布的均匀相同介质,管片背后注浆体、围岩、脱空等介质则表现为不同的视电阻率差异。在管片、注浆体、围岩中钢筋和水的电阻率较低,而混凝土、空洞、岩石都为高电阻率。因此,利用瞬变电磁法探测视电阻率的变化进行管片背后接触状态具有可行性。

为使管片背后接触状态的检测更加准确,利用视电阻率变化规律进行检测,本文基于TEM理论,提出一种雷达采集装置TER,其工作原理是使用调制的瞬变电磁波形和定向天线向地下空间中的特定空域发射电磁波以搜索目标。搜索域内的物体(目标)把能量的一部分反射回雷达接收机处理这些回波,从中提取距离、速度、角度位置和其他目标识别特征等目标信息。

1.2 系统设计及组成

TER系统主要由电磁发送系统、电磁感应系统、电磁采集系统组成[14],如图2所示。

图2 TER系统组成

1.2.1 电磁发送系统

电磁发送系统中的波形发射器可基于实际需求产生占空比不同的各类波形,如三角波、方波等。通过驱动器提供一定的驱动能力,电磁发射机能够输出产生较大的电流；发射系统的核心部分是输出级,通过采用不同的输出方式,输出不同结果的发射波形。除上述部件外,在发射机内部还配备有同步信号电路、同步隔离电路、输出保护电路等装置。

由于关断时间间接决定了探测效果,为实现大电流、短关断延迟时间,TER电磁发射机采用基于全桥拓扑的负载能量电路。发射电流在下降沿以高斜率呈线性下降,从而解决了发射电流的拖尾现象,使得关断延迟时间大幅缩减,并消除了电流过零现象[14]。电磁发射机控制系统如图3所示,主控单元采用Phlips公司的单片机P89C58X2。发射桥路采用MOSFET器件(图4),其可使开关速度比IGBT更快并且极易并联。

图3 电磁发射机组成原理框架图

图4 IRF3205桥路

1.2.2 电磁感应系统

电磁感应系统由连接测量轮的发射天线和接收天线组成。测量轮主要利用传感器测量旋转速度,通过距离转换进一步测量移动距离,在移动测量时常用测量轮传感器标定移动的距离或位置。对于发射线圈装置的设计,需要考虑的因素主要有发射装置电阻、发射装置电感、等效面积、发射装置的绕制方法和在工程中的易用性等,TER系统发射线圈主要采用导电率较高的铜芯导线绕制而成。接收线圈作为接收系统的核心部分,主要有带磁芯线圈和空心线圈两种。空心线圈衰减速度快,相对地灵敏度低,且其体积较大,不易携带和调水平；带磁芯的线圈灵敏度高,体积小,但是衰减常数大。因此,TER系统接收线圈选取0.1～0.3 mm导电率与导热性较好,且易于绕制的铜导线。

1.2.3 电磁采集系统

在测试过程中,信号先通过传感器将磁信号转变成电信号,再由放大器进行放大,并且过滤掉高频干扰信号,经A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后进行存储。电磁采集系统通过采用独立的16通道24位高精度、低功耗A/D转换器,输入信号幅度可经程控增益放大器调配到合适的范围,从而保证最佳转换精度,电磁接收机采样率可达到100 kHz,并实现所有通道的同步数据采集。高速TCP/IP接口可让测量数据快速传输到计算机ZigBee无线接口和WiFi无线接口,实现计算机对采集器的遥控。

图5 电磁接收机组成原理框架图

电磁接收机组成原理框架如图5所示,采用“数据采集卡+底板”的总体结构,整个系统由1个系统底板和1个数据采集卡组成,数据采集卡上有16个通道系统组成。这种结构将多通道化整为零,便于设计和调试,并且根据应用需求增加或减少通道数量都非常方便,数据采集卡主要由A/D转换器、FPGA和 SDRAM组成,负责将模拟信号转换为高精度数据并存储在SDRAM中。底板主要由ARM、FPGA、ZigBee模块、Wiport等组成,其作为计算机和数据采集卡之间的通信接口,既总控系统,又可将数据采集卡的数据传输到计算机。整个系统采用统一的时钟源和触发信号,时钟源和触发信号在底板上引入,经驱动后同步分发到系统的各个通道,从而实现各通道同步。

1.2.4 信号及数据处理

瞬变电磁法信号具有动态范围大,频带宽,在早、中、晚期的衰减速度差别大的特点。为提高晚期有用数据的信噪比,电磁采集系统宜尽量选择合适的频宽,采用数据组合滤波,将强干扰信息剔除,或是进行圆滑处理的方式对观测数据进行滤波去噪处理,对于背景信号太弱的有用信号进行弱信息增强处理。由于瞬变电磁法探测目标主要为低电阻体,瞬变电磁信号产生异常时存在固有特征与规律,符合该规律的则为有用信息,不符合该规律的多为干扰信号。

管片背后接触状态的检测主要依托于围岩土体等不同介质视电阻率所产生的异常变化。在瞬变电磁法中,探测体视电阻率等于采用相同瞬变电磁系统和测量装置,同一时刻产生的与测量值相同的瞬变场响应的均匀导电半空间的电阻率。

( 1 )

( 2 )

(3)

1.3 工作装置及性能指标

TER工作装置包括TEM的各种装置,TER系统的发射机和接收机采用连体组合形式,并采用有线电缆进行同步,两台整机也可联合一个仅用发射机,另一个仅用接收机。同时移动仍采用有线电缆同步,不同时移动则采用GPS同步,还设计有发射线圈和接收线圈同体的重叠回线方式,如图6所示。

图6 TER瞬变电磁雷达

TER性能指标:发射机可发射频率为0.062 5～222 Hz的脉冲信号,断电时间小于100 μs,供电电流0～50 A,采用上升沿触发,发射方式可选择连续发射、测量轮及GPS触发,连续、测量轮发射方式可用于结构的精细探测。电流波形为双极性方波,占空比可调。接收机采样频率为4.096～52.734 kHz,24 Bit高精度分辨,叠加次数为1～9 999,测试速度为1 km/h。

2 瞬变电磁法视电阻率的计算

2.1 时间域瞬变电磁法视电阻率的求取

由于TER主要通过探测介质的视电阻率变化来判断介质特性,为验证瞬变电磁雷达的可行性,首先利用理论计算结果对视电阻率的变化规律进行研究。

瞬变电磁法中,视电阻率分为晚期视电阻率和早期视电阻率,在计算早期视电阻率时,常常会发生较大畸变。本文为研究基于时间域瞬变电磁法探测管片背后接触状态的有效性,需要在所有时刻都能够反映真实状态的电模型,因此利用时间域内圆形回线的瞬变电磁响应,对全期视电阻率进行正演模拟,并提取晚期有用信号数据进行分析。

对水平层状介质进行一维正演模拟在解决实际问题中较为常用。一维正演计算大多是在频率域下进行,通过地质模型的电磁响应,利用频率域中赫姆霍兹方程求解瞬变电磁场,然后将频率域下的时变电磁场结果转换到时间域。基于傅里叶变换谱方法可以将频率域电磁场分量直接转换到时间域。模拟所采用公式如下:

早期视电阻率表达式由式(1)推导可得

( 4 )

由式(2)推导可得

( 5 )

晚期视电阻率表达式由式(1)推导可得

( 6 )

由式(2)推导可得

( 7 )

2.2 管片背后接触状态正演模拟

2.2.1 模型参数设置

为探索视电阻率在管片背后不同接触状态下的变化规律,在其他参数相同的情况下,分别考虑管片背后脱空区域内为空气、积水、松散土体、与围岩密实接触四种状态,并根据充填物质的实际电阻率参数,设置三层介质的地质模型进行计算。为研究脱空厚度内充填不同介质时视电阻率的变化曲线,考虑实际检测中常出现的厚度,选取0.5 m脱空厚度作为研究对象。

模型参数设置如表1所示。第一层介质钢筋混凝土管片依据文献[20]设置。由于影响土体电阻率的主控因素为含水率,第三层介质根据电阻率试验结果[21-24],含水率为25%,砂质黏土及砂土的电阻率拟设约为30 Ω·m。第二层介质按4种情况设置:①脱空状态,即脱空区域内为空气,电阻率为无穷大；②脱空区域内充填地下水,依据试验结果[18-22],地下水电阻率为10～100 Ω·m；③松散接触状态,即脱空区域内为带有空洞孔隙的潮湿松散土体,孔隙率为30%～37%,饱和度为30%～100%,相应含水量为6.3%～21%时,土体电阻率为200～600 Ω·m；④密实状态,即管片与围岩接触良好,无第二层介质。

表1 模型参数表

针对地质模型,采用TEM法计算,为验证TER的可行性,计算所用参数为仪器实际参数,回线边长为0.3 m,发送电流为10 A,匝数为30,接收线圈面积为2.7 m2,时间为10-6～ 1s,关断时间Toff为0 s。

2.2.2 充填地下水

脱空区域充填地下水时,视电阻率变化如图7所示。由于地下水的电阻率相对较低,当其低于第三层土体的30 Ω·m时,随着地下水电阻率的降低,视电阻率异常变化越明显,说明TEM法对于低阻薄层的探测较为敏感。

图7 充填地下水时视电阻率变化情况

2.2.3 松散接触状态

脱空区域为松散接触状态时,视电阻率变化如图8所示,随着中间层电阻率的逐渐增大,曲线分布较为集中,均逐渐趋近于脱空状态,说明当中间层视电阻率相对较高时,视电阻率曲线变化规律较为相似。

图8 松散接触状态下视电阻率变化情况

2.3 管片背后接触状态视电阻率曲线特征

图9为管片背后不同接触状态的视电阻变化特征。总体来看:

(1)管片背后充填不同物质时,随着时间的增长,视电阻率值均由第一层钢筋混凝土管片100 Ω·m处向第三层30 Ω·m处过渡,并最终趋于稳定。

(2)管片背后不同接触状态,中间层介质脱空、松散接触、充填地下水的视电阻率变化呈区域性规律分布,其中脱空状态的视电阻率值大于密实状态,地下水对于视电阻率影响较大,在视电阻率异常变化中最为明显。

(3)瞬变电磁法的视电阻率变化可用于判断管片背后的接触状态。当管片背后为脱空或松散接触状态时,视电阻率相对较高且增幅大,明显大于密实状态,当管片背后密实时,视电阻率曲线则较为平缓。

图9 管片背后接触状态视电阻率变化特征

3 验证试验

3.1 试验设计

选用盾构区间标准环A型管片,验证TER对于管片背后不同接触状态的测试效果,如图10所示。管片厚度为30 cm,其配筋及测线平面布置如图11所示。管片背后充填带孔隙的水泥砂浆以模拟松散接触状态,测线及测点布置如图12所示。参考视电阻率计算情况,将常见管片背后不同接触状态按电阻率不同划分成不同视电阻率曲线类型,可分为:①松散接触状态:管片+水泥砂浆；②密实接触状态:管片+土体；③脱空状态:管片+空气。由于管片配筋为对称结构,以上3种情况可在测线1的不同区段试验。

试验采用的TER参数为:发射天线为欠阻尼中心回线装置；发射频率6.25 Hz；电流波形为双极性方波；供电电流10 A；占空比10%～20%；采用测量轮触发；接收采样频率26 kHz,通道数330；24 Bit高精度采样；测点间隔0.5～1 cm。视电阻率采用全期视电阻率公式计算,即式(3)。

图10 模型试验管片

图11 管片配筋及测线平面布置图(单位:mm)

图12 管片背后接触状态分布图(单位:mm)

3.2 管片自身的视电阻率特征

为了研究管片相同配筋情况下不同充填介质的视电阻率曲线特征,首先对管片自身的视电阻率类型进行研究。

利用测线1测试数据作等值线图,并取管片厚度范围内(0～0.3 m)图像,得到管片钢筋分布的视电阻率影像图,如图13所示。图中圆圈所指深色部分为视电阻率较低区域,钢筋在视电阻率波谱中为向上的反射弧,图中可清楚地看到钢筋的分布,其分布的位置及个数与实际管片情况均相同。

图13 TER视电阻率管片内部钢筋分布图

利用TER测试测线1,提取视电阻率数据生成的三维影像图，如图14所示。图14中沿测试深度方向第一层反映了管片配筋,图中出现多处反射尖峰,切割同相轴的为钢筋分布；第二层为管片钢筋与背后介质电阻率耦合响应。提取测线长度方向管片任意点处瞬变电磁雷达视电阻率曲线剖面,如图15所示。曲线第一层的视电阻率反映了管片内部配筋情况,由于管片内部多层钢筋分布在欠阻尼装置作用下,使得第一层视电阻率跳跃变化,随后抬高再衰减进入第二层介质。

图14 测线1视电阻率三维影像图

图15 测线1任意一点处视电阻率曲线特征

3.3 管片背后不同介质异常特征

3.3.1 正演模拟计算结果对比

取测线1任意一点处的视电阻率与正演模拟计算结果同做对数处理并进行对比,如图16所示。由于正演模拟计算管片背后不同介质时并未考虑管片内部钢筋影响,视电阻率曲线未有振荡起伏。总体上,正演模拟计算结果与利用TER所得到的视电阻率变化趋势较为相近,说明理论计算结果与实测结果相符。

图16 TER测试数据与正演模拟计算结果对比

3.3.2 脱空状态

为研究管片背后脱空状态的视电阻率变化情况,未填充水泥砂浆时,提取测线1视电阻率测试数据做等值线图,如图17所示。由于第一层介质管片有规则的配筋,因此,管片自身的TER瞬变电磁视电阻率有固定的异常特征。而第二层管片背后不同充填介质的电阻率异常,通常为管片配筋和背后介质异常的叠加耦合。

从图17中可看出,对于③脱空状态:管片+空气,由于空气为高阻,其视电阻率叠加异常为相对高阻,TER视电阻率主要为管片配筋的异常响应,曲线呈对称分布,特点为尖峰、陡立异常明显。

图17 测线1未充填水泥砂浆时TER视电阻率

提取测点1和测点3位置视电阻率数据对比,如图18所示。管片背后脱空相对于密实接触状态,其视电阻率曲线尾部较高且伴有震荡,高阻异常往深部延伸较多。

图18 管片背后脱空状态与密实接触状态的视电阻率曲线对比

3.3.3 松散接触状态

为研究管片背后松散接触状态的视电阻率变化情况,将水泥砂浆充填于管片背后,信号特征变化如图19所示。图19中深色部分视电阻率相对较高。

从图19中可明显看出松散和密实接触位置,对于①松散接触状态:管片+水泥砂浆,由于水泥砂浆为低阻,其视电阻率叠加异常为低阻,管片长度方向0.5 m附近,TER视电阻率为耦合低阻异常；对于②密实接触状态:管片+土体,其电阻率高低取决于土体的含水量,本次试验土体视电阻率略低,其视电阻率叠加异常为相对低阻,图中管片长度方向1.3 m附近,TER视电阻率为相对低阻异常,曲线变化较为缓慢。

3.4 管片背后接触状态视电阻率信号特征

为使视电阻率变化规律更为明显,忽略测线管片内钢筋影响,提取测点1、测点2、测点3视电阻率数据,对信号数据进行圆滑处理,见图20。从图20中可以看出,管片背后不同接触状态的视电阻率变化不同,接触状态的视电阻率从大到小依次为:脱空、松散、密实。当中间层介质内有空气时,如脱空、松散接触情况下,视电阻率尾部有明显振荡。总体上,管片背后接触状态的视电阻率信号有如下特征:

(1)管片背后完全脱空,其视电阻率剖面图主要反映管片内部钢筋分布,异常往往对称规则分布,曲线陡立、尖峰,高低变化较快。相对于密实状态第二层视电阻率曲线尾部视电阻率较高,高阻异常往深部延伸较多,振荡明显。

图19 测线1充填水泥砂浆时TER视电阻率(单位：Ω·m)

(2)管片背后松散接触状态介于密实和脱空状态之间,视电阻率曲线由于耦合低阻异常,变化相对平缓,但同样受到中间层空气的影响,尾部视电阻率易有振荡。

(3)在实际地铁管片检测时,应针对相同类型管片进行异常比较,只要找出同类管片中相对视电阻率高的部位,通常就是管片背后有脱空处。相反,同类管片中相对视电阻率低,就是管片背后密实处。

图20 测点圆滑处理对比图

4 工程应用

为验证TER在实际工程中的检测效果,在厦门地铁2号线长翁隧道中对盾构管片背后接触状态进行检测。隧道全线长900 m左右,管片衬砌环由1个封顶块(C型),2个邻接块(B型),3个标准块(A型)组成,管片环与环之间基本采用错缝拼装方式相连接,管片设计厚度为0.3 m。TER测线L1沿隧道走向布置于拱腰位置处,取0～48环管片检测结果进行研究,如图21所示。

根据管片拼装方式,TER沿长翁隧道拱腰部位测线测试中所经过的盾构管片类型由A型和B型组成。图21中TER检测结果显示了两种类型管片的视电阻率变化情况。由于管片内部配筋等存在差异,A型和B型管片呈现出不同视电阻率变化形式。将同类型管片进行比较,依据视电阻率在管片背后不同接触状态中的变化规律分析可知,管片接触良好状态的视电阻率变化正常如图21(a)中22～23环(黑色方框)所示。与之对比,电阻率异常往深度方向延伸越长,且尾部电阻率伴随有振荡,如测线L1第2、4、9环所示,可初步判断为管片背后接触不良,接触状态介于脱空与密实之间。受空气影响,异常往往呈对称规则分布,曲线陡立、尖峰,高低变化较快,如测线L1第13、36环的异常信号可判断为脱空状态。

图21 TERL1视电阻率图谱

根据TER测试结果,对第36环附近拱腰位置处进行钻芯取样验证,如图22所示,取样结果发现存在约10 cm脱空,与测试结果定位较为相符。TER可满足工程应用的精度要求,测试应用及钻芯结果说明了利用TER对隧道管片背后接触状态检测的有效性,以及通过视电阻率变化规律对于判断接触状态具有可行性。

图22 现场取芯验证

5 结论

通过研发利用瞬变电磁法原理计算视电阻率变化来识别管片背后接触状态的雷达采集装置系统——瞬变电磁雷达系统(TER),并利用正演模拟计算、模型试验,现场实测技术手段,对仪器有效性及视电阻率变化规律进行了研究和总结,结果表明:

(1)管片背后不同接触状态,中间层介质脱空、松散接触、充填地下水的视电阻率变化呈区域性规律分布,其中脱空状态的视电阻率值大于密实状态,地下水对于电阻率影响较大,在视电阻率异常变化中最为明显。

(2)根据管片背后充填不同介质的视电阻率变化有不同的特征,说明利用瞬变电磁雷达探测隧道管片背后脱空的方法是可行的。同时,瞬变电磁雷达也可检测管片内部钢筋分布情况。

(3)通过在长翁隧道中的应用测试,说明瞬变电磁雷达可以对管片背后接触不良或脱空部位进行有效定位,能够满足实际检测工程的精度要求,但是对于脱空部位厚度判断需进一步的研究完善。

(4)瞬变电磁雷达功率大、频率低、拟地震波谱的处理解释以及无损快速探测有望解决隧道管片背后脱空检测的难题,这将揭开瞬变电磁法在混凝土结构探测中新的应用方向。但由于试验数据有限、数据处理及成像方法还需要改进,针对管片背后脱空的量化问题也有必要进行更加深入的研究,为了将检测的效果更明显、易读判,后续还有大量的基础性研究、更多的工程验证需要完善。