盾構(gòu)隧道壁后空洞典型GPR圖像特征正演分析

劉 海,陳峻浩,孫竹妤,岳云鵬,賴思聰,孟 旭

(1. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2. 廣東省濱海軟土地區(qū)地下結(jié)構(gòu)安全防護(hù)工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510006)

隨著我國地下空間的開發(fā)進(jìn)程不斷加快,對(duì)城市軌道交通的建設(shè)提出了越來越高的要求[1]。地鐵隧道作為地下結(jié)構(gòu)重要的組成部分,在城市軌道交通中的占比逐漸增大[2]。盾構(gòu)法是地鐵隧道施工的主要方法,在地鐵隧道施工中發(fā)揮著重要作用。在盾構(gòu)隧道施工過程中,由于盾構(gòu)機(jī)超挖、注漿壓力不足和漿液凝固收縮等原因,使盾構(gòu)管片壁后常出現(xiàn)空洞、脫空、注漿不密實(shí)等隱蔽缺陷[3-4]。而空洞作為最常見的隧道壁后隱蔽缺陷,會(huì)使空洞邊緣的隧道管片產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,降低管片承載力,隨著空洞的擴(kuò)大,最終產(chǎn)生管片裂縫、滲漏水甚至掉塊等表觀病害,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[5]。因此,亟需在地鐵隧道施工期和運(yùn)營期內(nèi)開展對(duì)盾構(gòu)隧道壁后空洞的檢測(cè),以保障地鐵隧道的安全運(yùn)營。

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,GPR)是一種利用高頻電磁波(10 MHz～3 GHz)探測(cè)目標(biāo)體的地球物理勘探方法[6],已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探[7]、探月工程[8]、道路空洞探測(cè)[9]和地下管道探測(cè)[10]等。與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法相比,GPR具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)和分辨率高等特點(diǎn)[11],已被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道施工期與運(yùn)營期的安全檢測(cè)中。但現(xiàn)有的雷達(dá)數(shù)據(jù)主要以人工解譯為主,在進(jìn)行隧道壁后隱蔽空洞探測(cè)時(shí),由于地鐵隧道現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,空洞檢測(cè)圖像不易分辨[12],其識(shí)別效果與技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系。此外,由于盾構(gòu)隧道內(nèi)部的密集鋼筋網(wǎng)會(huì)對(duì)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生較強(qiáng)的屏蔽效應(yīng)[13],將嚴(yán)重影響工作人員對(duì)隧道壁后空洞的數(shù)據(jù)解譯精度[14]。因此,對(duì)地鐵隧道壁后空洞進(jìn)行正演模擬,研究空洞部位的電磁響應(yīng)特征,可以幫助工程技術(shù)人員更客觀、更準(zhǔn)確地識(shí)別襯砌脫空缺陷.

在GPR正演模擬方法中,由于時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)可以對(duì)電磁波的時(shí)域進(jìn)行計(jì)算,具有邏輯簡明、計(jì)算速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn),而被許多學(xué)者所采用[15]。Lai等[16]通過數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式,對(duì)不同尺寸的地下空洞雷達(dá)圖像特征進(jìn)行分析,總結(jié)了地下空洞的GPR圖像特征規(guī)律;楊道學(xué)等[17]結(jié)合基于FDTD方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,判斷礦山地下巷道是否充水,并得出巷道交匯區(qū)域的GPR探測(cè)解譯準(zhǔn)則;梁小強(qiáng)等[18]運(yùn)用FDTD方法開展管線探測(cè)中的GPR探測(cè),分析雷達(dá)管線探測(cè)與各種影響參數(shù)之間的關(guān)系;吳豐收等[19]通過FDTD方法高精度模擬雷達(dá)波在隧道襯砌中的傳播特性,展示出鋼筋網(wǎng)對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)干擾性及對(duì)下方目標(biāo)體檢測(cè)的影響;戴世坤等[20]通過有限單元法實(shí)現(xiàn)了頻率域2.5維GPR正演模擬,為雷達(dá)正演提供了重要的理論參考依據(jù)和技術(shù)支撐。但正演模擬在地鐵隧道壁后空洞檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用還屬于初步階段,不同尺寸、形狀的隱蔽缺陷在盾構(gòu)管片背后的電磁響應(yīng)特征差異較大,因此,有必要針對(duì)隧道壁后不同空洞的雷達(dá)圖像特征進(jìn)行正演研究,推動(dòng)GPR在隧道檢測(cè)工程中的應(yīng)用。

基于此,本文首先采用FDTD建立不同尺寸、形狀壁后空洞的隧道管片模型,并對(duì)檢測(cè)圖像及電磁波場的特征進(jìn)行分析,研究其電磁響應(yīng)特征與規(guī)律。然后建立盾構(gòu)隧道壁后空洞探測(cè)足尺試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,為實(shí)際地鐵隧道壁后空洞的數(shù)據(jù)解釋提供參考。

1 GPR探測(cè)原理

GPR系統(tǒng)主要由雷達(dá)主機(jī)、天線及顯示器組成,其主要原理是通過天線發(fā)射器向地下輻射高頻電磁波脈沖信號(hào),經(jīng)盾構(gòu)管片分層界面或隱蔽缺陷反射后返回,通過接收天線接收反射信號(hào)回波實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè),如圖1所示。由于不同地下目標(biāo)的相對(duì)介電常數(shù)存在差異,當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí),遇到介電特性存在差異的目標(biāo)體,如空洞、分層界面時(shí),電磁波會(huì)發(fā)生反射,其回波被接收天線所接收,同時(shí)雷達(dá)主機(jī)記錄反射波的波形、振幅強(qiáng)度和雙程走時(shí)等信息[20-21]。通過對(duì)反射回波的處理和分析,在地鐵隧道安全檢測(cè)過程中,可以確定隱蔽缺陷和分層界面的位置[22]。

圖1 GPR探測(cè)盾構(gòu)隧道壁后空洞示意圖

不同介質(zhì)中電磁波的傳播速度不同,傳播速度與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān),根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度,則目標(biāo)體埋深h的計(jì)算公式如下:

(1)

式中,c為電磁波在空氣中的傳播速度(m/ns),εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),t為電磁波雙程走時(shí)(ns)。

2 地鐵隧道檢測(cè)正演模擬

2.1 FDTD方法

根據(jù)電磁波傳播理論,電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),電磁場量與發(fā)射源的關(guān)系符合Maxwell方程組,其一階偏微分表達(dá)式如下[23]:

(2)

(3)

▽·B=0,

(4)

▽·D=qv,

(5)

式中,E為電場強(qiáng)度矢量(V/m),qv為電荷密度(C/m3),B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T),J為電流密度(A/m2),D為電位移矢量(C/m2),t表示時(shí)間(s),H為磁場強(qiáng)度(A/m)。

在Maxwell方程組中,電磁場屬性參數(shù)被假定為在時(shí)間和空間上分布的函數(shù),為求解偏微分形式的Maxwell方程組,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)GPR的正演模擬,需要借助FDTD。FDTD主要原理是將網(wǎng)格單元和基本時(shí)間增量對(duì)連續(xù)的空間和時(shí)間進(jìn)行離散化,并將Maxwell方程的偏微分形式應(yīng)用于每個(gè)單元,將電磁場中的Maxwell方程通過二度中心差分法,轉(zhuǎn)化為差分方程,進(jìn)而求解差分方程得到微分方程的近似解[24]。二維Yee網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 FDTD 中的Yee網(wǎng)格

由FDTD的原理可知,劃分單元網(wǎng)格的尺寸將極大地影響算法的精度和準(zhǔn)確性,同時(shí),離散化后的電磁波頻散現(xiàn)象將導(dǎo)致計(jì)算誤差。研究表明,為減少對(duì)網(wǎng)格步長數(shù)值引起的模型離散化的頻率散射影響,離散單元的網(wǎng)格大小需小于波長的1/10,以保證模擬的準(zhǔn)確性[25],如式(6)所示:

(6)

式中,Δx、Δy分別表示Yee網(wǎng)格在x和y方向上的空間步長(m);λ為電磁波中心頻率的波長。

此外,在求解Maxwell方程組時(shí),時(shí)間增量及空間步長并不是相互獨(dú)立的,每一步迭代的時(shí)間步長也會(huì)影響正演結(jié)果準(zhǔn)確性[26]。為保證模擬過程中電磁波的關(guān)系不被破壞,時(shí)間增量及空間步長需滿足穩(wěn)定性條件:

(7)

式中,Δt為時(shí)間步長(ns);c為電磁波在空氣中的傳播速度(m/ns)。

2.2 模型建立

本文基于FDTD方法建立盾構(gòu)隧道管片模型并進(jìn)行GPR的正演仿真。圖3(a)為本文建立的尺寸為6.0 m×3.5 m(長×寬)雙層介質(zhì)空洞模型,首層介質(zhì)模擬30 cm厚的隧道襯砌結(jié)構(gòu),由混凝土與鋼筋網(wǎng)構(gòu)成,另一層介質(zhì)為隧道壁后土體。

圖3 盾構(gòu)隧道壁后空洞仿真模型及正演圖像

正演仿真選用600 MHz中心頻率的雷達(dá)天線進(jìn)行模擬,探測(cè)隧道壁后不同尺寸的方形、圓形空氣空洞/富水空洞。采用FDTD仿真模擬時(shí)需要設(shè)置模型電性參數(shù)。其中,混凝土的相對(duì)介電常數(shù)為6.0,電導(dǎo)率為0.01 s/m;石英砂的相對(duì)介電常數(shù)為4.0,電導(dǎo)率為0.000 1 s/m;水的相對(duì)介電常數(shù)為81.0,電導(dǎo)率為1 s/m;鋼筋相對(duì)介電常數(shù)為1,電導(dǎo)率為100 s/m。為更加貼合實(shí)際情況,建模時(shí)在隧道管壁處考慮接縫影響,并設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)以獲得與實(shí)際情況相近的GPR響應(yīng)。鋼筋的直徑設(shè)為5 mm,空洞與隧道壁后的間距設(shè)為30 cm。模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

正演結(jié)果如圖3(b)所示,1 ns時(shí)間位置對(duì)應(yīng)第一層鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)反射,4 ns處對(duì)應(yīng)第二層鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)反射。兩層鋼筋的計(jì)算間距約為0.20 m,與模型相符。對(duì)于設(shè)置富水空洞的模擬結(jié)果,空洞產(chǎn)生的反射信號(hào)能夠清楚地被觀察到圖3中Δt為空洞頂部和底部雷達(dá)反射信號(hào)間的時(shí)延。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 典型圖像特征分析

本文使用尺寸和形狀不同的空洞進(jìn)行模擬,分別為邊長/直徑30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm的立方體/球體進(jìn)行模擬,表2為地鐵隧道壁后空洞的FDTD仿真圖像?？梢?隨著空洞尺寸的增加,反射信號(hào)越明顯,且反射信號(hào)的形狀變化存在一定規(guī)律。空洞的B-scan圖像特征呈雙曲線、交叉狀以及碗狀3種規(guī)律變化。其原因主要是反射信號(hào)波形取決于雷達(dá)的水平分辨率[27],GPR信號(hào)的水平分辨率是由雷達(dá)信號(hào)在對(duì)應(yīng)深度的波束半徑?jīng)Q定的,而波束半徑是通過Annan等[28]提出的簡化模型計(jì)算得出。該模型是使用第一個(gè)菲涅耳區(qū)域(First Fresnel Zone,FFZ)來確定信號(hào)波束的半徑,如式(8)所示:

表2 壁后不同尺寸空洞/富水空洞的正演B-scan圖像

(8)

式中,r(v,z,f)為GPR信號(hào)在對(duì)應(yīng)深度的半徑,z為深度,f為信號(hào)的中心頻率,v為信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度。

本文使用中心頻率為600 MHz的天線模擬了壁后間距30 cm的不同大小、形狀空洞,計(jì)算得到r(v,z,f)為0.23 m。R為空洞尺寸與r(v,z,f)的比值。結(jié)合表2可見,當(dāng)方形空氣空洞尺寸為30 cm(R=1.30)時(shí),圖像為雙曲線形,這是因?yàn)榭斩创笮∨cr(v,z,f)接近,雷達(dá)對(duì)于空洞邊緣兩側(cè)識(shí)別精度不高;尺寸為40 cm(R=1.74)和50 cm(R=2.17)時(shí),雷達(dá)可以識(shí)別空洞邊緣兩側(cè),方形空洞的反射信號(hào)在空洞頂面表現(xiàn)為線形,空洞邊緣反射在頂面正下方出現(xiàn),在頂面反射附近交叉相匯,表現(xiàn)為“交叉狀”,且隨著空洞尺寸的增大,交匯的范圍變大,交匯點(diǎn)下移;當(dāng)空洞尺寸為60 cm(R=2.61)、70 cm(R=3.04)和80 cm(R=3.48)時(shí),方形空洞的反射信號(hào)在空洞頂面正下方有明顯交匯區(qū),可見交匯點(diǎn)出現(xiàn)在頂面下方,形狀表現(xiàn)為“碗狀”。對(duì)于方形富水空洞,反射信號(hào)在空洞正上方表現(xiàn)為線形,在兩端為繞射的單邊雙曲線,但由其底部反射可以判斷出與空氣空洞相似的“交叉狀”與“碗狀”形狀特征;由于水的介電常數(shù)較大,電磁波傳播至頂面處時(shí)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象[29]。對(duì)于不同尺寸的圓形空洞,反射信號(hào)均表現(xiàn)為完整的雙層雙曲線形,且雙曲線的曲率隨著空洞尺寸的增大而增大。

3.2 空洞反射時(shí)延特征

在表2盾構(gòu)隧道壁后富水空洞的正演圖像中可以發(fā)現(xiàn),富水空洞的B-scan有明顯的時(shí)延現(xiàn)象,其原因是水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣,由式(1)可知,電磁波在水中傳播的速度遠(yuǎn)小于在空氣中的傳播速度。同時(shí),隨著空洞尺寸的增加,空洞頂部與底部的反射時(shí)延也相應(yīng)增大。為探究空洞大小與其時(shí)延的規(guī)律,分別對(duì)空氣和富水空洞的尺寸與其對(duì)應(yīng)仿真圖像中頂部與底部反射信號(hào)間的時(shí)延進(jìn)行擬合,如圖4所示。

圖4 空氣和富水空洞時(shí)延與尺寸關(guān)系擬合結(jié)果

從擬合結(jié)果可知,方形空氣空洞對(duì)應(yīng)擬合直線方程為

Δt=0.03x+0.01,

(9)

式中,x為方形空氣空洞的尺寸,Δt為空洞頂?shù)追瓷涞臅r(shí)間差。

方形富水空洞對(duì)應(yīng)擬合直線方程為

Δt=0.61x*+0.19,

(10)

式中,x*為方形富水空洞的尺寸,Δt為空洞頂?shù)追瓷涞臅r(shí)間差。

從擬合直線中可見,空洞頂部、底部的反射時(shí)延與空洞尺寸呈正相關(guān)。對(duì)比空氣空洞與富水空洞的擬合結(jié)果可見,富水空洞頂部反射與底部反射間的時(shí)延較大,這是由于電磁波在空氣中的傳播速度大于其在水中的傳播速度,在水中為0.1 m/ns,在空氣中為0.3 m/ns。

且隨著空洞尺寸的增加,頂?shù)追瓷溟g時(shí)延增大。本文總結(jié)的空洞頂部與底部的反射時(shí)延可作為推斷地鐵隧道壁后空洞內(nèi)部填充介質(zhì)與尺寸的參考。

3.3 波場仿真分析

由前述分析可知,不同填充介質(zhì)的空洞在探測(cè)中存在不同的電磁響應(yīng)特征,為進(jìn)一步說明這種現(xiàn)象,本文在隧道壁后間距30 cm處分別設(shè)置邊長為60 cm的方形空氣、富水兩組空洞,并在空洞正上方各進(jìn)行了一次電磁信號(hào)激發(fā),以1 ns為時(shí)間間隔獲取了正演模型內(nèi)部電場強(qiáng)度?？諝?富水空洞的波場仿真效果分別如圖5、圖6所示,可見,電場強(qiáng)度在正演模型內(nèi)部整體呈現(xiàn)衰減趨勢(shì),但在遇到鋼筋以及空洞的時(shí)候,在其背后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場區(qū)域。

圖5 不同時(shí)刻的空氣空洞電磁場正演模擬波場快照

圖6 不同時(shí)刻的富水空洞電磁場正演模擬波場快照

圖5為電磁波在不同時(shí)刻的盾構(gòu)隧道壁后空氣空洞波場分布圖,在t=3 ns時(shí),電磁波穿過了雙層鋼筋網(wǎng)區(qū)域到達(dá)地下介質(zhì)區(qū),在雙層鋼筋網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部傳播距離較小,主要原因?yàn)榛炷凉芷瑓^(qū)域相對(duì)介電常數(shù)較大,電磁波傳播速度下降。可見電磁波在鋼筋位置發(fā)生明顯的反射和散射,在附近產(chǎn)生繞射波,并在鋼筋中心部位產(chǎn)生反射波,電磁波的能量被吸收,電場強(qiáng)度極值出現(xiàn)較大衰弱,此時(shí)對(duì)應(yīng)正演圖像中的管片處。在t=5 ns時(shí),電磁波即將到達(dá)空洞位置,而上部雙層鋼筋網(wǎng)的反射波也到達(dá)接收天線處。在t=7 ns時(shí),電磁波穿越空洞,部分電磁波在空洞頂部反射,產(chǎn)生與頂部形狀相對(duì)應(yīng)的較平反射波;另一部分電磁波透射進(jìn)入空洞內(nèi),在空氣介質(zhì)中傳播,波形也與空洞形狀相對(duì)應(yīng)。因?yàn)榭諝獾南鄬?duì)介電常數(shù)相較于外部地下介質(zhì)區(qū)較小,電磁波在空氣空洞中傳播速度較快,同時(shí)空氣對(duì)電磁波衰減能力低于地下介質(zhì)。在t=9 ns時(shí),電磁波在空洞內(nèi)部發(fā)生多次震蕩,部分電磁波穿透空洞,從空洞底部透射出的電磁波向四周擴(kuò)散,部分繞空洞邊緣擴(kuò)散,此時(shí)電磁波幅值較小。在t=13 ns時(shí),發(fā)射的電磁波均穿透空洞,在地下介質(zhì)區(qū)以相對(duì)較低的速度傳播。在t=15 ns時(shí),電磁波部分開始被設(shè)置的完美匹配層(Perfectly Matched Layer,PML)邊界吸收。

圖6為富水空洞波場分布圖,在t≤5 ns時(shí),即電磁波到達(dá)空洞頂部以前,電磁波傳播情況與在空氣空洞傳播過程一致。在t=9 ns時(shí),可見電磁波到達(dá)富水空洞頂部界面產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收,未快速透過頂部富水界面。其原因是水的相對(duì)介電常數(shù)相較于外部介質(zhì)較大,電磁波在水中傳播速度慢,被富水界面吸收較多能量。在t=13 ns時(shí),空洞內(nèi)部透射的電磁波傳播速度明顯慢于空洞外部,使外部電磁波已經(jīng)傳播至空洞外部時(shí),空洞內(nèi)部的電磁波傳播還未通過空洞大小的一半。在t=25 ns時(shí),在空洞內(nèi)部多次反射的電磁波到達(dá)并穿過空洞底部,而未在空洞內(nèi)部傳播的部分電磁波已經(jīng)被PML邊界吸收。在t=30 ns時(shí),空洞底部的反射波向接收天線傳播,從空洞內(nèi)部穿過的電磁波在地下介質(zhì)區(qū)傳播速度加快。

從波場分布仿真表明,電場強(qiáng)度在正演模型內(nèi)部整體呈衰減趨勢(shì),電磁波在到達(dá)空洞之前,在雙層鋼筋網(wǎng)處出現(xiàn)繞射波并被衰弱,在空洞內(nèi)部傳播的電磁波會(huì)產(chǎn)生多次震蕩。因介電常數(shù)不同,由式(1)可知,電磁波在空氣空洞和富水空洞的傳播速度具有明顯差異,這也是導(dǎo)致富水空洞的底部反射有較大時(shí)延的直接原因。

4 實(shí)測(cè)及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立

為驗(yàn)證GPR模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文建立盾構(gòu)地鐵隧道壁后空洞探測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn),如圖7所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由兩塊盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片以及3面磚墻圍建而成,管片內(nèi)徑為270 cm,厚度為30 cm。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)填充均質(zhì)石英砂,其相對(duì)介電常數(shù)為2.9。試驗(yàn)過程在盾構(gòu)隧道管片壁后30 cm處分別埋設(shè)50 cm和60 cm的空心亞克力正方體,用于模擬空洞。在管片內(nèi)壁布置了1條水平測(cè)線,測(cè)線高度距離平臺(tái)頂部60 cm。采用中心頻率為600 MHz的IDS商用探地雷達(dá)沿隧道環(huán)向進(jìn)行探測(cè)。在試驗(yàn)過程中,時(shí)窗長度設(shè)置40 ns,采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置2 048,道間距設(shè)置為0.01 m。

圖7 盾構(gòu)隧道壁后空洞探測(cè)平臺(tái)示意圖

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為提高采集數(shù)據(jù)信噪比,突出目標(biāo)體反射特征,本文對(duì)實(shí)測(cè)得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了去除直流信號(hào)、背景去除、增益、帶通濾波和平滑濾波等數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理后的B-scan如圖8所示,實(shí)測(cè)圖像中從0～6 ns是管片層,內(nèi)部的雙層鋼筋網(wǎng)清晰可見;6 ns底部處為管片層和砂層的分層界面;10 ns處左右分別為尺寸50 cm和60 cm的方形空氣空洞,兩個(gè)預(yù)設(shè)空洞的反射信號(hào)清晰,與正演模擬結(jié)果一致。當(dāng)方形空洞尺寸為50 cm時(shí),實(shí)測(cè)雷達(dá)圖像呈現(xiàn)“交叉狀”;當(dāng)空洞尺寸增大到60 cm時(shí),由于空洞邊緣位置的間距大于波長,雷達(dá)可以更清晰地識(shí)別邊緣兩側(cè)反射信號(hào),下部反射圖像交匯點(diǎn)可見,圖像呈現(xiàn)“碗狀”。

圖8 方形空氣空洞實(shí)測(cè)圖

5 結(jié)論與展望

本文采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式,探究了隧道壁后空洞的GPR響應(yīng)規(guī)律,模擬了GPR進(jìn)行隧道壁厚空洞檢測(cè)的過程,并對(duì)檢測(cè)圖像的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)電磁波傳播過程進(jìn)行了探討得出以下結(jié)論:

(1)方形空洞電磁響應(yīng)特征為線形與繞射波組合的形式,隨著尺寸大小的增加,會(huì)從“交叉狀”過渡到“碗狀”。圓形空洞均呈現(xiàn)為完整的雙層雙曲線,曲線曲率隨著尺寸增加而增加。因此,不同空洞的電磁響應(yīng)特征可以作為判斷空洞形狀和尺寸的依據(jù)。

(2)富水空洞相對(duì)空氣空洞有明顯的強(qiáng)反射特征,兩者可以根據(jù)空洞頂部與底部的反射時(shí)延進(jìn)行區(qū)別,反射時(shí)延可以作為判斷空洞尺寸的依據(jù)。

(3)電磁波在空洞內(nèi)部發(fā)生多次反射以及以更快或者更慢的速度通過整個(gè)模型,這會(huì)導(dǎo)致壁后探測(cè)區(qū)內(nèi)電磁信號(hào)的多次震蕩。電場強(qiáng)度極值在鋼筋處明顯減弱,對(duì)電磁波探測(cè)鋼筋后的缺陷造成較大影響。

由于盾構(gòu)隧道管片中的密集鋼筋網(wǎng)鋼筋會(huì)對(duì)探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生較大的屏蔽效應(yīng),影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的解譯,后續(xù)研究將結(jié)合人工智能手段,對(duì)實(shí)測(cè)圖像進(jìn)行處理,減弱鋼筋的干擾,增強(qiáng)盾構(gòu)隧道壁后隱蔽缺陷的反射信號(hào)?？紤]到現(xiàn)實(shí)中盾構(gòu)隧道壁后空洞大多為非標(biāo)準(zhǔn)方形、球形,本文下一步將對(duì)不規(guī)則形狀空洞的檢測(cè)與識(shí)別展開研究。