地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道襯砌常見病害模型實(shí)驗(yàn)研究

耿大新，李洪梅，郭 俊，梁國卿

（1.華東交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院巖土研究所，江西 南昌330013；2.南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司，江西 南昌330000；3.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌330103）

地質(zhì)雷達(dá)（簡稱GPR），是利用不同媒質(zhì)介電常數(shù)的差異對(duì)地下或物體內(nèi)不可見的目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的一種淺層地球物理探測方法。因其檢測連續(xù)、快速、無損、高效及易攜帶、操作簡易等優(yōu)點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)法在檢測行業(yè)中運(yùn)用廣泛。然而，地質(zhì)雷達(dá)檢測法尚存在雷達(dá)圖的準(zhǔn)確分辨率不高、檢測深度與檢測精度相矛盾等缺陷。近幾年，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測方法測定隧道的襯砌結(jié)構(gòu)（尤其二次襯砌）的質(zhì)量和病害，以及地質(zhì)雷達(dá)檢測方法的使用精確度等問題頗受業(yè)界人士的關(guān)注。學(xué)者們對(duì)其應(yīng)用于隧道襯砌的檢測進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和正反演模擬研究。2000年，美國科研小組通過二次襯砌實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?，?duì)模型中布設(shè)的常見病害及不同媒質(zhì)進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)法檢測，重點(diǎn)研究了地質(zhì)雷達(dá)在此檢測過程中的精確度和探測深度［1］；Michael Scott 和Park S K［2-3］也分別對(duì)不同埋設(shè)尺寸與深度的空洞和鋼筋的橋面板和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?，分析了這些布設(shè)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)圖像的影響；朱彤，楊艷壽［4-5］分別對(duì)隧道素混凝土襯砌和鋼筋混凝土襯砌背后空洞及不密實(shí)病害的辨識(shí)及精確度進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯浚籅ergner J P，劉四新，等［6-8］研究了FDTD防真的頻散介質(zhì)吸收邊界條件的實(shí)現(xiàn)方法；戴前偉，等［9-10］對(duì)襯砌常見病害進(jìn)行了各種地電模型的模擬研究，分析了病害的地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖的特點(diǎn)。

然而，這些研究主要是對(duì)常見病害進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)和模擬分析，少有考慮隧道襯砌布設(shè)鋼筋網(wǎng)時(shí)對(duì)其常見病害檢測的綜合研究。為了對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在復(fù)雜的隧道襯砌病害的應(yīng)用的進(jìn)一步研究，制作了一個(gè)大型的隧道襯砌模型，并在模型中布設(shè)了空洞、空洞積水和混凝土析水等病害。通過對(duì)比地質(zhì)雷達(dá)法檢測的地質(zhì)雷達(dá)深度剖面圖和實(shí)際的襯砌布設(shè)情況，分析了襯砌分別在雙層鋼筋網(wǎng)、單層鋼筋網(wǎng)和素混凝土區(qū)3種情況下病害的反射特征。

1 模型試驗(yàn)與GPR檢測

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟季?/h3>

為更貼近隧道襯砌的實(shí)際情況，在混凝土水泥路面（現(xiàn)場取樣，厚25 mm）和防水板（塑料板模擬）上用預(yù)拌商用混凝土（C30）現(xiàn)澆了二次襯砌，其尺寸為6.0 m×1.5 m×0.45 m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃樗鼗炷羺^(qū)，單層鋼筋網(wǎng)區(qū)和雙層鋼筋網(wǎng)區(qū)；同時(shí)，在二次襯砌中的每一區(qū)段均布設(shè)了常見病害混凝土析水、空洞及空洞積水，布設(shè)示意圖見圖1～圖3。

圖1 二次襯砌病害布設(shè)平面圖（mm）Fig.1 The damage layouts in the tunnel lining（mm）

圖2 東測線病害布設(shè)剖面圖（mm）Fig.2 Longitudinal section of the damage layouts（the East side）（mm）

圖3 西測線病害布設(shè)剖面圖（mm）Fig.3 Longitudinal section of the damage layouts（the West side）（mm）

鑒于研究的重點(diǎn)為鋼筋網(wǎng)的存在對(duì)隧道二次襯砌常見病害檢測的影響研究，所以，從外界環(huán)境限制、對(duì)比性等方面綜合考慮，隧道襯砌的空洞和混凝土析水病害布設(shè)情況如表1、表2所示。

1.2 試驗(yàn)材料的確定

試驗(yàn)中用薄塑料板模擬初次襯砌與二次襯砌之間的防水層，以貼近實(shí)際情況。圓形空洞，用直徑為110 mm 和50 mm 的PVC 管模擬，并通過PVC 管中密封自來水模擬積水；矩形空洞（脫空）用矩形三合板空箱模擬；混凝土析水，用滿含碎石和濕砂的矩形三合板箱模擬。具體模型如圖4。

圖4 襯砌鋼筋網(wǎng)及各病害的模型Fig.4 The model of the double rebar and diseases

1.3 襯砌表面測線的布設(shè)

鑒于隧道二次襯砌中的病害布設(shè)主要沿東西兩個(gè)方向分布，在二次襯砌1/4和3/4寬度處分別布置東西測線，如圖5所示。

表1 空洞病害布設(shè)Tab.1 The layouts of voids

表2 混凝土析水病害布設(shè)Tab.2 The layouts of concrete bleedings

圖5 測線布置圖Fig.5 The survey line

1.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測儀器及參數(shù)設(shè)置

隧道襯砌模型灑水養(yǎng)護(hù)28天，采用配置有主機(jī)ProEX和中心頻率為800 MHz的天線的瑞典地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測。綜合考慮到病害的布設(shè)情況以及檢測的分辨率，采樣參數(shù)等依尼奎斯特采樣定理計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)［11-12］取值如表3所示。

表3 800 MHz天線的采集參數(shù)Tab.3 The acquisition parameter of the GPR with antenna of 800 MHz

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果與分析

依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測的原始數(shù)據(jù)，利用REFLEXW軟件將檢測信號(hào)進(jìn)行濾波和增益處理等，可得東西測線的地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間深度剖面圖，如圖6、圖7。

圖6 東測線地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間深度剖面圖Fig.6 Geological radar profile for the east line

圖7 西測線地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間深度剖面圖Fig.7 Geological radar profile for the west line

2.1 鋼筋網(wǎng)的檢測

對(duì)比分析圖2、圖3與圖6、圖7，鋼筋的地質(zhì)雷達(dá)圖像辨識(shí)存在如下現(xiàn)象：①單層鋼筋網(wǎng)，其數(shù)量與位置（深度與間距）顯示清晰準(zhǔn)確；②雙層鋼筋網(wǎng)，其數(shù)量及上層鋼筋位置顯示清晰且準(zhǔn)確，而其下層鋼筋的位置（深度）出現(xiàn)極大偏差，下層鋼筋網(wǎng)與上層的的檢測間距只有100 mm左右，這與實(shí)際布置間距（350 mm）相差太大；③下層鋼筋網(wǎng)的反射波形的同相軸與上層鋼筋稍有差異。

初步分析，雙層鋼筋的間距誤差的可能原因主要有3個(gè)：電磁波在鋼筋與天線間多次反射導(dǎo)致雙層鋼筋間距的誤差；雙層鋼筋間的其他病害布設(shè)，導(dǎo)致電磁波反射疊加導(dǎo)致上下層鋼筋網(wǎng)的相位變化；距離測線75 mm的沿測線方向的鋼筋對(duì)電磁波反射的影響導(dǎo)致相位變化。而雙層鋼筋的同相軸的差別主要源于鋼筋網(wǎng)的安裝工藝。

2.2 空洞及空洞積水的檢測

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌斩床『χ饕獜奶畛錉顟B(tài)（滿含水、半含水、無水）、形狀與尺寸、深度及埋設(shè)位置（是否在鋼筋網(wǎng)下面）4個(gè)方面予以設(shè)置。

1）空洞積水狀況對(duì)檢測結(jié)果的影響。對(duì)比圖6、圖7中的不同空洞的地質(zhì)雷達(dá)圖像，可知：無水空洞4～9只有一個(gè)反射界面，滿含水空洞1和半含水空洞2則均呈現(xiàn)3個(gè)反射界面。這主要原因是電磁波遇不同媒質(zhì)會(huì)發(fā)生反射，不含水空洞為混凝土-空氣-混凝土，半含水空洞為混凝土-空氣-水-混凝土，滿含水空洞理論上為混凝土-水-混凝土（滿含水的條件難以達(dá)到，出現(xiàn)混凝土-空氣-水-混凝土的情況）?？諝?、混凝土、水3種媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)分別為1，6.4和81，且電磁波進(jìn)入相對(duì)介質(zhì)較小的媒質(zhì)時(shí)，反射波形為正波，從而反射波形的最外層表現(xiàn)為白色［13］。所以，空洞的含水狀態(tài)可通過地質(zhì)雷達(dá)圖像明確判斷。

2）空洞的形狀對(duì)檢測結(jié)果的影響。鑒于施工中的空洞（脫空）實(shí)際情況，試驗(yàn)中設(shè)置了矩形空洞（D/E/F）和圓形空洞（1～9）。從地質(zhì)雷達(dá)剖面圖不難發(fā)現(xiàn)：矩形空洞（脫空）的反射波強(qiáng)烈，且脫空的中間部分更為顯著，反射界面表現(xiàn)為頂面水平、底面拋物線形；而圓形空洞的反射波形則表現(xiàn)為雙曲線形。從而，實(shí)際檢測中容易區(qū)分矩形脫空和圓形空洞。

3）空洞尺寸對(duì)檢測結(jié)果的影響。鑒于矩形脫空的自身性，脫空寬度不會(huì)很小，反射波的特征差異也不大。所以，試驗(yàn)中，只考慮圓形空洞的尺寸影響。由地質(zhì)雷達(dá)檢測圖像可知，800 MHz的天線對(duì)直徑為50 mm的圓形空洞檢測不明顯，從而可知地質(zhì)雷達(dá)（配800 MHz天線）的檢測精度大約為50 mm。

4）空洞埋深對(duì)檢測結(jié)果的影響。比較空洞7、8可得，埋深較淺的空洞其電磁反射波更加強(qiáng)烈，更易區(qū)分辨別。其主要原因是病害深度越深，電磁波在傳播過程中的能量損失越大?？斩?、8均位于二襯和初襯的交界處，故用800 MHz天線檢測埋深40 mm的較大尺寸病害可行。

5）鋼筋網(wǎng)對(duì)空洞檢測結(jié)果的影響。從圖6、圖7中可知：布設(shè)在雙層鋼筋網(wǎng)之間的空洞4因受上層鋼筋的影響隱約可以判斷識(shí)別，且空洞4對(duì)上層鋼筋網(wǎng)反射波影響甚微。而半含水的圓形空洞3因雙層鋼筋反射影響呈現(xiàn)豎向條狀多重反射，反射較強(qiáng)烈；并且與雙層鋼筋的反射波相互影響，反射界面無從分辨，從而不易判斷空洞3的具體時(shí)間深度、尺寸與積水狀態(tài)。

2.3 混凝土析水病害的檢測

混凝土析水病害主要布設(shè)于西測線附近，故由圖7可知：

1）布設(shè)于無鋼筋區(qū)的析水區(qū)域C（濕砂）反射波很微弱。從而可知模型在養(yǎng)護(hù)28天后，析水區(qū)域的濕砂含水量由于木板箱的存在而沒有大量減少，故含水量的存在顯著削弱了反射波的能量，使得析水區(qū)域C在剖面圖中很難辨識(shí)。

2）布設(shè)于單層鋼筋網(wǎng)下的析水區(qū)域B（濕砂）的反射波卻較強(qiáng)烈，其主要原因很可能是濕砂的水份大量流失。

3）布設(shè)于雙層鋼筋間的析水區(qū)域A（碎石）處的雷達(dá)反射波明顯要比析水區(qū)域B和C要強(qiáng)烈，并且表現(xiàn)為明顯的帶狀矩形區(qū)。經(jīng)分析主要有4 個(gè)原因：析水區(qū)域A（碎石）埋深較淺，電磁波能量消耗少，反射強(qiáng)烈；碎石與混凝土見的相對(duì)介電常數(shù)差異比細(xì)砂的大；濕砂含水量比碎石大使得反射信號(hào)明顯減弱［14］；下層鋼筋的存在對(duì)析水區(qū)域A的反射起到一定的反射增強(qiáng)作用。

綜上可得：鋼筋網(wǎng)的存在，對(duì)其上方的析水病害的檢測有一定的反射增強(qiáng)現(xiàn)象，而對(duì)析水病害的反射波形在地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間深度剖面圖的表觀特征無明顯影響。

3 結(jié)論

目前，較多隧道的二次襯砌中布設(shè)有鋼筋網(wǎng)，且多有空洞和混凝土析水等病害，故此，研究隧道二次襯砌內(nèi)鋼筋網(wǎng)的布設(shè)檢測、空洞與析水等常見病害的檢測以及鋼筋網(wǎng)的存在對(duì)空洞、析水等病害檢測結(jié)果的影響，具有很重要的實(shí)用價(jià)值。本文采用800 MHz中心頻率屏蔽天線針對(duì)不同埋深、不同布設(shè)條件下的二次襯砌病害的GPR時(shí)間深度剖面圖的特征與規(guī)律進(jìn)行了初步的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）上層鋼筋的數(shù)量與間距可通過GPR剖面圖清晰準(zhǔn)確地判斷，而雙層鋼筋網(wǎng)中下層鋼筋的反射波明顯比上層弱，且兩層間的距離與實(shí)際狀況卻存在極大的差異；雙層鋼筋網(wǎng)的相位存在差異，主要因?yàn)殇摻罹W(wǎng)的安裝工藝。

2）空洞存在積水時(shí)，GPR圖像一般會(huì)出現(xiàn)三個(gè)反射界面，從而為判斷空洞中是否含有積水提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

3）無積水空洞的存在對(duì)鋼筋網(wǎng)反射特征的影響甚微，而鋼筋網(wǎng)的反射會(huì)削弱無水空洞的反射強(qiáng)度；另外，含水空洞的反射信號(hào)與鋼筋網(wǎng)的反射相互影響，且影響較大。

4）鋼筋網(wǎng)的存在，使其上方混凝土析水病害的反射波在一定程度上增強(qiáng)，而對(duì)析水病害的反射波形在地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間深度剖面圖的表觀特征無明顯影響。

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