隧道衬砌背后空洞的地质雷达检测试验与模拟研究

唐 浩，李有福

(贵州顺康检测股份有限公司，贵州 贵阳 550000)

0 前 言

地质雷达属于一种能够对地下介质进行利用，在广谱电磁波方面具有不同影响的，能够对地下介质分布情况进行确定的地球物理技术。其主要是基于有线的隧道，在正常交通的时间限制下，地质雷达在检测的时候，由于其具备着直观、高效的特点，是目前进行隧道衬砌检查的一个非常主要的手段。随着近些年来，对于地质雷达检测隧道衬砌质量得到了进一步的应用，有很多的学者也都做了一定的研究。再根据大量的现场检测方面的经验和雷达检测方面的理论，很多的学者也都做好非常多的试验与数值模拟方面的研究。而美国科研小组也在20年前，发现了具备1 400 MHz天线的地质雷达能够对检测精度进行统计，还能够对空洞和混凝土不密实的情况等比较常见的病害方面的反射特征进行探测。而本文则主要通过模型试验以及模拟方面研究，并且对隧道衬砌素混凝土区空洞的情况，以及积水空洞的形状进行充分的考虑，还有整体尺寸的大小，包括埋深的情况等各种不同的因素会对雷达检测造成影响，对雷达检测图像的特征情况进行综合的分析，这样能够为衬砌背后病害的现场检测的工作提供更加丰富的辨识上的依据。

1 隧道衬砌模型和雷达检测

1.1 试验的模型

因为隧道衬砌在进行施工的时候，二衬需要进行设置的包括钢筋和不设钢筋两种不同的类型，而应用素混凝土区的时候，对于整个围岩的级别要求较高，如果地质情况比较理想，整个隧道衬砌中素混凝土区存在的病害不容易得到重视。而在进行试验模拟隧道的时候，就有可能存在病害﹐所以需要做好检测的工作再进行相应的分析。而整个试验的模型需要调整尺寸为6.24 m×1.2 m×0.6 m，将初衬的厚度设置为20 mm，而二衬的厚度为40 mm，在初衬和二衬之间，需要布设好土工布和防水板，这样才能够更好的与真实工况更加的贴近，再应用商品的混凝土来进行浇筑。

1.2 试验材料的选择需要将空洞积水的不同情况做好充分的考虑

在应用防水胶带做好密封工作，而在进行灌水的方法的设置的时候，主要选择了无积水﹑部分积水、充满积水的情况。与此同时，还要对雷达对于整个空洞的检测精度进行深入的分析，并且针对小球和PVC管的情况，包括具备不同尺寸，也就是直径基于不同的埋深状态来进行相应的对比。对于球形、椭球形，还有就是心形的塑料小球进行选择，并且需要探究立方形的塑料盒以及PVC管，对于空洞的雷达检测效果所产生的影响。为了能够更加全面的对整个空洞病害存在的检测辨识存在的规律，需要充分结合其形状、尺寸、埋深、积水等不同的状态，对于会影响到布设情况的因素，进行综合的考虑。

1.3 做好地质雷达的检测

通过应用意大利的RIS地质雷达，还有600 MHz的屏蔽天线，包括K2FastWave的数据采集软件等系统，应用剖面法，来做好数据采集的工作，包括调整天线的频率为600 MHz，再调整发射器和接收器的之间的间距，将其调整成为0.1 m，再分别将整个测点间调整成为0.01 m，而时窗则为40 ns，整体的采样率设置为512样/扫描，再利用专用的地质雷达处理的软件，即Launch CREDHD来对数据进行处理，这样才能够得到整个地质雷达时间深度。

1.4 圆柱形空洞

当直径为20 mm的时候，并且在埋深180 mm，则通过600 MHz的天线是检测不出空洞的，而相同直径的含水空洞，则在进行埋深200 mm的时候，整个反射波组是比较明显的。空洞如果存在积水的话，则很有可能因为反射界面中的电常数差异比较大，而出现更明显的反射，这样就更便于进行检测。而在进行实际检测的时候，如果为含水的直径20 mm尺寸左右的空洞，是比较难进行识别的，这种情况往往需要通过对整个雷达图，进行细致的观察和处理，这样才能够满足检测小尺寸空洞的目标。对于整个盒子形的空洞，可以发现的是沿着测线的方向，则有比较大的空洞尺寸，也就是试验中的宽度和半径，这种情况下病害的反射波波形特征就比较明显。

2 正演数值的模拟

2.1 二维空间存在的FDTD差分

通过应用Yee差分的格式，主要是通过Maxwell的方程角度，就能够得到相应的2个旋度方程式，再根据Yee差分格式的差异，来进一步建立出矩形差分网格，这样能够保证得到二维Yee元胞。

2.2 进行模型的结果分析

通过相应的数值模拟的方式，并应用GPRMAX2D的软件，能够实现的是对于整个试验模型进行相应的仿真与分析，之后就能够发现相应的建模图形，包括存在的地质雷达模拟剖面图。在这其中的23，25号空洞试验的时候，主要应用的是心形的空洞，特别是在建模的过程中，可以将心形截面来采用三角形进行代替。再利用圆形、矩形、三角形、椭圆形等不同的空洞尺寸，包括埋深程度的差异，以及其不同的含水量方面的情况，就可以对研究结果进行模拟，之后就可以得出相应的结论，也与试验的检测结论基本不存在差异。

由于空洞整体埋深较大，则整体的尺寸越小，而却反射波波组所体现出的相关特征就会越微弱。并且，如果是尺寸比较相近的几种空洞，在反射波波组的反射强度方面就会存在着差异，也就是矩形截面要大于圆形截面，圆形截面大于椭圆形截面，椭圆形截面又大于三角形截面。整个尺寸相较于矩形截面来说，反射波组呈现的是同相轴特征，也体现出了双曲线型和圆形是比较类似的。

如果在空洞中存在积水的情况，就很可能会出现多次的反射，这之后还可能会出现3个相对来说比较明显的反射界面。之后在电磁波水介质中，也会导致传播时整体的衰减更加的迅速。相比于空洞积水的波组图来说，整体的反射波组是比较明显的，但是反射界面却不十分明显，所以可以初步判断其是由于模拟介质是一种理想的介质，而整个反射界面却比较直观明显。相对而言整体的试验模型介质情况是比较复杂的，而且整个反射波组也会呈现出比较多次的反射。

3 结束语

综上所述，通过试验和模拟进行论证、对比之后，能够发现的是模拟所得到的结论和整个试验的结论基本上是能够吻合的，而且得出的结论对于衬砌空洞病害进行现场检测的过程中，以及进行雷达图像的识别都有着非常重要的参考价值。对于衬砌背后空洞所产生病害，而对整个反射波波组特征，包括反射波的强弱情况，以及整个空洞的形状、尺寸、埋深，包括积水状态，都有着非常密切的关系，为了能够更好的为现场的检测工作，也就是雷达图像的识别提供一定的参考依据。