提高地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的準(zhǔn)確性研究

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(中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

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提高地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的準(zhǔn)確性研究

海洋

(中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)成為了一種主流的高效、直觀的隧道襯砌無(wú)損檢測(cè)手段。為了提高隧道襯砌檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先系統(tǒng)地論述了影響地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的因素，并提出了相應(yīng)的解決方法；然后運(yùn)用正演數(shù)值模擬常見(jiàn)隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征；最后結(jié)合一些隧道檢測(cè)的實(shí)例，說(shuō)明這種綜合判斷方法能極大程度地提高地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

地質(zhì)雷達(dá)；正演模擬；雷達(dá)映像；隧道；無(wú)損檢測(cè)

1　引　言

由于施工過(guò)程中的各種原因，隧道內(nèi)常常會(huì)出現(xiàn)各種不同程度的缺陷，如初期支護(hù)背后空洞，二次襯砌脫空，二次襯砌背后不密實(shí)，以及鋼筋間距偏大等等[1]。目前，地質(zhì)雷達(dá)法是隧道無(wú)損檢測(cè)的主要方法，它能夠高效、直觀地判斷常見(jiàn)的隧道襯砌缺陷。由于人員、設(shè)備、環(huán)境、雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、處理及解釋等因素的影響，地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌檢測(cè)的結(jié)果往往存在一定程度的誤差。

根據(jù)鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求，在隧道運(yùn)營(yíng)之前，對(duì)隧道襯砌、仰拱(或鋪底)必須進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，查明隧道既有病害的規(guī)模，查找隱伏病害、可能造成病害的施工質(zhì)量缺陷以及災(zāi)害性地質(zhì)病害[1]，以此避免鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)不可估計(jì)的交通事故。

2　隧道襯砌檢測(cè)方法技術(shù)

2.1地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是工程上常用的一種檢測(cè)方法，被廣泛地應(yīng)用于工程的各個(gè)領(lǐng)域之中，如場(chǎng)地勘查、工程質(zhì)量檢測(cè)、隧道病害診斷及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等[2,3]。

地質(zhì)雷達(dá)一種是利用高頻電磁波(頻率：106～109Hz或更高)來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)分布的檢測(cè)技術(shù)，其基本原理是：將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過(guò)天線發(fā)射器發(fā)送至地下，經(jīng)過(guò)地下目的體或地層界面反射后返回地面，并被雷達(dá)天線接收器接收，通過(guò)對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和解釋，從而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)體的目的[4-8]。

2.2影響因素分析

影響地質(zhì)雷達(dá)襯砌檢測(cè)準(zhǔn)確性的因素包括人員、設(shè)備、環(huán)境、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及資料解釋，如圖1所示。其中，影響地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的主要原因包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和資料解釋，具體表現(xiàn)為：①采集參數(shù)的選擇；②標(biāo)記混亂(或缺失)；③處理參數(shù)的選擇；④襯砌缺陷定性判斷；⑤襯砌缺陷定量判斷。

圖1　影響因素分析Fig.1　Analysis of influencing factors

2.3解決方法

2.3.1數(shù)據(jù)采集

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的主要問(wèn)題包括采集參數(shù)的選擇以及標(biāo)記混亂問(wèn)題。

第一，通過(guò)對(duì)已知厚度的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，標(biāo)定介電常數(shù)等相關(guān)地質(zhì)雷達(dá)采集參數(shù)，多次試驗(yàn)，確定合理有效的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如時(shí)窗、采樣率、濾波和增益等。

第二，在隧道左右邊墻上，每5 m做一個(gè)單標(biāo)記，每50 m做一個(gè)雙標(biāo)記，盡量避免因標(biāo)記錯(cuò)位而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)位。

2.3.2數(shù)據(jù)處理

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的主要問(wèn)題表現(xiàn)在處理參數(shù)的選擇。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的步驟主要有標(biāo)記疏理、廢道剔除、直達(dá)波校正、距離歸一化、濾波(包括垂直濾波和水平濾波)、反褶積等，這些處理方法是常規(guī)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的流程，如圖2所示。其中，有些處理參數(shù)需要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)分析確定，如濾波、反褶積等。

圖2　地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的流程Fig.2　The process of GPR data processing

2.3.3資料解釋

地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的主要問(wèn)題表現(xiàn)在襯砌缺陷的定性判斷和定量判斷。

地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的原則具體如下：

第一，對(duì)初期支護(hù)背后空洞、二次襯砌脫空、二次襯砌背后不密實(shí)、鋼拱架缺失，以及鋼筋網(wǎng)缺失等襯砌缺陷來(lái)說(shuō)，只需要定性判斷它們是否存在。通常情況下，運(yùn)用正演數(shù)值模擬隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征可直接確定檢測(cè)結(jié)果。

第二，對(duì)鋼拱架間距、鋼筋間距及襯砌厚度等襯砌缺陷來(lái)說(shuō)，不僅需要定性判斷它們是否存在，而且需要定量判斷它們的規(guī)模。故這類問(wèn)題僅僅采用襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征確定檢測(cè)結(jié)果是不充分的。此時(shí)，還要采用一些特殊的處理方法，如速度分析、偏移等。

3　隧道襯砌缺陷的地電模型及地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)

3.1地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值模擬

地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)值模擬是分析問(wèn)題和研究高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的有效途徑。通過(guò)分析各種地下結(jié)構(gòu)模型的正演結(jié)果，加深對(duì)雷達(dá)反射剖面的認(rèn)識(shí)，積累GPR圖像判別地下結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，提高解釋精度的準(zhǔn)確性[9]。

本文采用了美國(guó)勞雷工業(yè)公司的GPRSIM地質(zhì)雷達(dá)正演模擬軟件，其核心算法是逐段迭代射線追蹤算法。該算法來(lái)源于地震波的射線追蹤算法，其原理是：首先從任意給定的初始射線路徑出發(fā)，利用一個(gè)適用于計(jì)算任意界面的近似反射點(diǎn)或透射點(diǎn)的一階近似公式，進(jìn)行逐段迭代求取界面上的反射點(diǎn)或透射點(diǎn)；然后以求出的射線路徑為基礎(chǔ)，按照與上述相同的方法逐段求取下一界面上的反射點(diǎn)或透射點(diǎn)，直到另一端點(diǎn)。當(dāng)整條射線路徑上的界面反射點(diǎn)或透射點(diǎn)的修正值在某個(gè)控制誤差范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為射線追蹤過(guò)程結(jié)束[10]。利用這種方法可以快速地推算出模型的電磁波走時(shí)，進(jìn)而計(jì)算模型空間的電磁波速度分布。

3.2常見(jiàn)隧道襯砌缺陷的地電模型及其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征

隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中往往會(huì)遇到一些常見(jiàn)的襯砌缺陷，如初期支護(hù)背后空洞、二次襯砌脫空，以及二次襯砌背后不密實(shí)等等。為了研究清楚這些缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征，本文運(yùn)用GPRSIM軟件做了一些襯砌缺陷模型的正演模擬。

設(shè)天線的中心頻率為400 MHz，時(shí)窗為50 ns，采樣率為512，模型大小為500 cm×200 cm，單元格長(zhǎng)度為0.01 m，模型介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率及模型介質(zhì)色標(biāo)如表1所示。其中，這里所說(shuō)的介電常數(shù)是指相對(duì)介電常數(shù)，即由電通量密度除以電場(chǎng)強(qiáng)度得到的介電常數(shù)與真空中的介電常數(shù)的比值，它是一個(gè)沒(méi)有量綱的常數(shù)；電導(dǎo)率是指電阻率的倒數(shù)，單位是S/m。

表1　400 MHz天線正演模擬常見(jiàn)隧道襯砌缺陷的相關(guān)模型參數(shù)

初期支護(hù)背后空洞的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)如圖3所示。其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征是電磁反射波極性與直達(dá)波極性相反，剖面上存在同相軸連續(xù)的強(qiáng)反射信號(hào)，且其下部還存在雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，曲率半徑的大小取決于空洞規(guī)模。

二次襯砌脫空的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)如圖4所示。其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征是電磁反射波極性與直達(dá)波極性相反， 剖面上存在同相軸不連續(xù)的強(qiáng)反射信號(hào)。

二次襯砌背后不密實(shí)的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)如圖5所示。其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征是電磁反射波極性與直達(dá)波極性相反，剖面上存在不連續(xù)且不規(guī)則的雙曲線形反射信號(hào)，曲率半徑和振幅能量取決于二次襯砌背后不密實(shí)的程度。

鋼拱架的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)如圖6所示。其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征是電磁反射波極性與直達(dá)波極性相同，剖面上存在不連續(xù)且較規(guī)則的雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，曲率半徑較大。

初期支護(hù)鋼筋網(wǎng)的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)如圖7所示。其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征是電磁反射波極性與直達(dá)波極性相同，剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號(hào)，曲率半徑較小，振幅能量較弱。

圖3　初期支護(hù)背后空洞Fig.3　Cavity behind initial support

圖4　二次襯砌脫空Fig.4　Void behind second lining

圖5　二次襯砌背后不密實(shí)Fig.5　Imperfect behind second lining

二次襯砌雙排鋼筋網(wǎng)的正演模型及其模擬的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)如圖8所示。其地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征是電磁反射波極性與直達(dá)波極性相同，剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號(hào)，曲率半徑較小，第一排鋼筋網(wǎng)的反射信號(hào)振幅能量較強(qiáng)，而第二排鋼筋網(wǎng)的反射信號(hào)振幅能量相對(duì)較弱。

根據(jù)上述分析總結(jié)常見(jiàn)隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征，結(jié)果如表2所示，其典型的地質(zhì)雷達(dá)映像如圖9所示。

圖6　鋼拱架Fig.6　Steel arch

圖7　初期支護(hù)鋼筋網(wǎng)Fig.7　Steel mesh in initial support

圖8　二次襯砌雙排鋼筋網(wǎng)Fig.8　Double-row steel mesh in second lining

襯砌缺陷地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征初期支護(hù)背后空洞電磁反射波極性與直達(dá)波極性相反,剖面上存在同相軸連續(xù)的強(qiáng)反射信號(hào),且其下部還存在雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào),曲率半徑的大小取決于空洞規(guī)模。二次襯砌脫空電磁反射波極性與直達(dá)波極性相反,剖面上存在同相軸不連續(xù)的強(qiáng)反射信號(hào)。二次襯砌背后不密實(shí)電磁反射波極性與直達(dá)波極性相反,剖面上存在不連續(xù)且不規(guī)則的雙曲線形反射信號(hào),曲率半徑和振幅能量取決于二次襯砌背后不密實(shí)的程度。二次襯砌厚度不足電磁反射波的同相軸錯(cuò)斷,其振幅能量較強(qiáng),且不連續(xù),凸起部分與相鄰部分的旅行時(shí)差較大。鋼拱架電磁反射波極性與直達(dá)波極性相同,剖面上存在不連續(xù)且較規(guī)則的雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào),曲率半徑較大。初期支護(hù)鋼筋網(wǎng)電磁反射波極性與直達(dá)波極性相同,剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號(hào),曲率半徑較小,振幅能量較弱。二次襯砌雙排鋼筋網(wǎng)電磁反射波極性與直達(dá)波極性相同,剖面上存在連續(xù)且規(guī)則的雙曲線形反射信號(hào),曲率半徑較小,第一排鋼筋網(wǎng)的反射信號(hào)振幅能量較強(qiáng),而第二排鋼筋網(wǎng)的反射信號(hào)振幅能量相對(duì)較弱。

圖9　襯砌缺陷的典型地質(zhì)雷達(dá)映像Fig.9　Typical GPR image of lining defect

4　實(shí)測(cè)資料分析

通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌檢測(cè)的影響因素進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的有效解決方案，并結(jié)合正演模擬的常見(jiàn)隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征，極大程度地提高了地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。下面就此引出幾個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種綜合判定方法的有效性。

4.1數(shù)據(jù)處理提高分辨率的檢測(cè)實(shí)例

某隧道襯砌檢測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)如圖10所示。選取合理的處理參數(shù)，進(jìn)行背景去除、水平疊加、垂直濾波、水平濾波及反褶積等數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果如圖11所示。對(duì)比數(shù)據(jù)處理前后的效果，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)剖面的分辨率明顯提高了，各種電磁干擾被剔除了，鋼拱架清晰可見(jiàn)，且通過(guò)速度分析及偏移處理，可以推測(cè)電磁波平均速度為0.128 m/ns，進(jìn)而可以判斷二次襯砌的厚度。

圖10　數(shù)據(jù)處理前的地質(zhì)雷達(dá)映像Fig.10　GPR image before the data processing

圖11　數(shù)據(jù)處理后的地質(zhì)雷達(dá)映像Fig.11　GPR image after the data processing

4.2鋼筋間距偏大的檢測(cè)實(shí)例

蘭新鐵路第二雙線是國(guó)內(nèi)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，該條鐵路的線路圖如圖12所示。由于大坂山隧道是全線的重點(diǎn)控制性工程，在甘青公司的要求之下，對(duì)該隧道進(jìn)行了襯砌質(zhì)量檢測(cè)工作?？紤]到各種可能影響檢測(cè)結(jié)果的因素，從數(shù)據(jù)采集、處理到資料解釋，整個(gè)檢測(cè)工作流程均嚴(yán)格參照了本文提出的解決方案，因此，檢測(cè)工作有效地保證了外業(yè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，為檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了重要依據(jù)。其中，該隧道右拱腰DK274+975～DK274+990段的地質(zhì)雷達(dá)映像剖面如圖13所示。首先，根據(jù)二次襯砌鋼筋網(wǎng)的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征分析，判斷該段二次襯砌存在鋼筋網(wǎng)；其次，通過(guò)速度分析及偏移處理，確定了DK274+978.5～DK274+988段的實(shí)測(cè)平均鋼筋間距為30 cm。由于該段設(shè)計(jì)鋼筋間距為20 cm，故判斷隧道右拱腰DK274+978.5～DK274+988段的鋼筋間距偏大。經(jīng)打孔驗(yàn)證，隧道右拱腰DK274+984.6處的實(shí)際鋼筋間距為28 cm。

圖12　蘭新鐵路第二雙線的線路Fig.12　Route map of the Lanzhou-Xinjiang railway second double line

4.3二次襯砌脫空的檢測(cè)實(shí)例

在蘭州鐵路局的要求下，對(duì)蘭新既有鐵路甘肅段全線進(jìn)行隧道病害檢測(cè)。在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，檢測(cè)工作順利完成。其中，全線中的火燒溝隧道拱頂DK188+809～DK188+827段的地質(zhì)雷達(dá)剖面如圖14所示。根據(jù)二次襯砌脫空的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征分析，判斷隧道拱頂DK188+811.5～DK188+826.5段存在明顯的二次襯砌脫空。經(jīng)打孔驗(yàn)證，隧道拱頂DK188+818及DK188+825處均存在二次襯砌脫空，其脫空厚度約為8 cm。

圖13　大坂山隧道右拱腰DK274+975～DK274+990段的雷達(dá)映像剖面Fig.13　DK274+975～DK274+990 radar images section of right haunch in Daban mountain tunnel

圖14　火燒溝隧道拱頂DK188+809～DK188+827段的雷達(dá)映像剖面Fig.14　DK188+809～DK188+827 radar images section of top in Huoshao ravine tunnel

5　結(jié)　論

通過(guò)上述幾個(gè)隧道襯砌檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)例，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、標(biāo)記混亂、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較差及處理參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)纫蛩?，常常造成地質(zhì)雷達(dá)資料解釋困難。若采用本文提供的相關(guān)解決方案，可有效地保證采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)處理的合理性，進(jìn)而降低檢測(cè)結(jié)果的誤判率。

2)運(yùn)用正演數(shù)值模擬方法，模擬了常見(jiàn)隧道襯砌缺陷的地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)特征，為判斷實(shí)測(cè)資料的地質(zhì)雷達(dá)異常提供了有效而直觀的依據(jù)，大大地提高了地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Study on Improving the Accuracy of GPR in Detection of Tunnel Lining

Hai Yang

(GansuRailwayEngineeringSurveyInstituteLimitedCo.,LanzhouGansu730000,China)

With the development of ground penetrating radar (GPR) technology, it has become a mainstream form of efficient, intuitive means for non-destructive detection of tunnel lining. To improve the accuracy of detection of tunnel lining, this paper firstly discusses the factors affecting geological radar detection, and puts forward appropriate solutions. And then numerical simulation of ground penetrating radar response characteristics of common defects in tunnel lining has been conducted. Finally, some examples of tunnel inspection are combined, which shows this synthetic judgment method can greatly improve the accuracy of geological radar detection of tunnel lining.

GPR; forward simulation; radar images; tunnel; non-destructive testing

1672—7940(2016)04—0553—08

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.025

海洋(1984-)，男，工程師，主要從事地質(zhì)雷達(dá)與地震勘探方面的研究。E-mail:hycugwh_2005@163.com

P631.3

A

2015-12-02