隧道襯砌鋼筋背后脫空的地質(zhì)雷達正演模擬與探測

■鄧國文

（福州市城投檢測科技有限公司，福州 350011）

隧道是公路、鐵路的重要組成部分，隧道施工程序繁多，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯均會給隧道結(jié)構(gòu)安全留下隱患，而隧道屬于隱蔽工程，完工后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量無法直觀體現(xiàn)，采取快速、有效的方法對隧道襯砌質(zhì)量進行檢測顯得尤為必要。

在圍巖穩(wěn)定性較差區(qū)域，一般在襯砌中布置鋼筋網(wǎng)以滿足結(jié)構(gòu)安全需要，近幾年來，為防止隧道拱頂因應力集中而出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，常在拱頂區(qū)域布置鋼筋網(wǎng)片。 鋼筋網(wǎng)的出現(xiàn)影響了襯砌澆筑過程中混凝土的流動，常在鋼筋網(wǎng)背后出現(xiàn)脫空或不密實缺陷，成為結(jié)構(gòu)安全隱患。 因電磁波傳播到鋼筋處會出現(xiàn)強反射和衍射影響，對鋼筋背后病害在雷達上的成像產(chǎn)生很大干擾。 本文針對鋼筋背后病害雷達探測難題，以雙層鋼筋現(xiàn)場布置參數(shù)為基礎，建立合理的正演模型，對鋼筋背后脫空進行雷達正演模擬，分析不同條件下的雷達圖像特征，對布設有鋼筋的襯砌質(zhì)量雷達圖像解譯具有一定的指導意義。

1 地質(zhì)雷達探測基本原理

1.1 地質(zhì)雷達探測原理

地質(zhì)雷達法是通過發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖波形式向隧道襯砌發(fā)射，電磁波在襯砌中傳播，遇到存在介電常數(shù)差異的界面時，電磁波會產(chǎn)生反射，接收天線接收反射回來的電磁波，經(jīng)系統(tǒng)處理獲得雷達圖像，通過對雷達圖像進行處理、解譯，達到探測襯砌質(zhì)量目的的一種無損檢測方法（圖1）。

圖1 雷達探測原理示意圖

地質(zhì)雷達發(fā)射的電磁波傳播到存在介電常數(shù)差異的界面上時，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。 在界面上的反射遵守反射定律，反射強度取決于反射系數(shù)R：

式中：ε1、ε2分別為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

混凝土、鋼筋、空氣三者存在顯著的介電常數(shù)差異，由式（1）可知，當電磁波由混凝土傳播到鋼筋表面上時，反射系數(shù)R 為負，當電磁波由混凝土傳播到脫空界面上時，反射系數(shù)R 為正，因此，混凝土中的鋼筋和脫空的雷達圖像特征區(qū)別明顯。

1.2 目標回波雙曲線特征

當被測介質(zhì)中含有點狀目標體（包括非弧形端點）時，目標體的反射回波在雷達圖像上呈現(xiàn)近似雙曲線的形狀[1-2]，近似雙曲線的軌跡及開口大小與探測目標體的具體形狀有關。 雙曲線公式如下：

式中，t0=2z0/v，v 為電磁波在介質(zhì)中傳播速度，x0和z0為目標體的水平坐標和深度坐標，關系曲線如圖2 所示：

圖2 點狀目標體回波雙曲線原理

點狀目標體所產(chǎn)生的雙曲線對周邊及下方的其他目標體的雷達成像會產(chǎn)生較大的干擾，從而降低雷達探測的準確性，干擾程度與點狀目標體的大小、點狀體與周邊介質(zhì)介電常數(shù)差異的大小、點狀體與周邊目標體的距離有關。

2 隧道襯砌質(zhì)量正演模擬及其圖像特性

鐵路隧道襯砌中雙層鋼筋主要布置在圍巖較差的區(qū)段，因鋼筋影響混凝土澆筑而導致的脫空主要分布于鋼筋網(wǎng)及其背后，以鐵路隧道襯砌鋼筋常見的布置間距及鋼筋直徑參數(shù)為基礎， 應用GPRMax2.0 雷達模擬軟件建立正演模型，模擬雙層鋼筋、脫空及鋼筋背后脫空3 種隧道襯砌質(zhì)量的雷達圖像，綜合分析鋼筋背后脫空在雷達圖形上的特征[3-6]。

2.1 雙層鋼筋背后結(jié)構(gòu)完好

在圍巖等級為Ⅳ、Ⅴ級時，隧道需通過在襯砌中布置鋼筋進行加強，鋼筋為雙層鋼筋，常見規(guī)格為鋼筋直徑25 mm，水平間距0.20 m，兩層鋼筋間距0.25 m，采用此參數(shù)建立正演模型，如圖3 所示。

圖3 雙層鋼筋背后結(jié)構(gòu)完好模型

電磁波由混凝土傳播到鋼筋表面時，為相對介電常數(shù)小的介質(zhì)向大的介質(zhì)傳播，由反射系數(shù)公式可知，反射系數(shù) 為負，即電磁波相位與入射波相位相反。由正演模擬結(jié)果（圖4）可知，第一層鋼筋分布在雷達圖像上清晰顯示，第二層鋼筋受第一層鋼筋雙曲線反射干擾，雷達圖像難以準確辨別，兩層鋼筋間的完整混凝土中存在干擾信號；以高頻反射信號為主，雙層鋼筋背后呈較規(guī)律干擾信號，嚴重影響鋼筋網(wǎng)片背后的探測。

圖4 雙層鋼筋背后結(jié)構(gòu)完好模型的數(shù)值模擬成果圖

2.2 無鋼筋襯砌中脫空

襯砌脫空是混凝土在澆筑過程中因填充不滿、不實或混凝土自身收縮而形成的，常見于隧道拱頂部位，是隧道襯砌常見的病害之一。 空氣和混凝土兩者介電常數(shù)差異明顯，為研究不同大小脫空（深度方向）在鋼筋影響下的雷達圖像特征，建立了脫空尺寸（深度方向）為0.1 m、0.2 m 和0.3 m 的正演模型（圖5）。

圖5 無鋼筋襯砌中脫空模型

電磁波由混凝土傳播到脫空上界面時，為相對介電常數(shù)大的介質(zhì)向小的介質(zhì)傳播，由反射系數(shù)公式可知，反射系數(shù)γ 為正，即電磁波傳播到交界面后，電磁波相位與入射波相位相同；而在脫空的下界面，電磁波則是由相對介電常數(shù)小的介質(zhì)向大的介質(zhì)傳播，反射系數(shù)γ 為負，即電磁波相位與入射波相位相反。正演模擬結(jié)果（圖6）顯示，在模擬條件下，脫空上界面的兩端，雙曲線反射明顯，空洞上方的反射較端點雙曲線反射信號更強，3 種尺寸的脫空上、下界面均可見，可準確判斷出脫空的大小，脫空尺寸越大（深度方向），空洞上、下界面的雷達反射信號越明顯，出現(xiàn)等間距的多次反射，高頻信號衰減較快。

圖6 無鋼筋襯砌中脫空模型的數(shù)值模擬成果圖

2.3 雙層鋼筋背后脫空

雙層鋼筋容易導致襯砌出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。 鋼筋背后出現(xiàn)脫空可能是雙層鋼筋導致的混凝土不實，也可能是其他因素造成的，因此鋼筋背后的脫空大小不一。 為了研究不同大小脫空在鋼筋背后情況下的雷達圖像特征，分別建立了鋼筋背后脫空大?。ㄉ疃确较颍?.1 m、0.2 m 和0.3 m 的3 種正演模型（圖7）。

圖7 鋼筋背后脫空模型

綜合之前的模擬結(jié)果（圖4、圖6），對比分析鋼筋背后脫空的正演模擬結(jié)果（圖8），鋼筋信號與脫空信號相互影響， 脫空區(qū)域下方同相軸不連續(xù)，脫空信號受鋼筋信號影響嚴重，脫空上界面輪廓依稀可見，空洞越大（深度方向）界面越明顯，但反射信號相對鋼筋信號而言較弱，而脫空的下界面無法判斷。 因此，存在較多干擾因素的隧道現(xiàn)場檢測未必能準確判斷出脫空情況。

圖8 鋼筋背后脫空數(shù)值模擬成果圖

3 實例分析

實例1：此異常位于某鐵路工程DK29+907～DK29+912 拱頂位置，設計資料顯示，此段隧道圍巖級別為Vb，二次襯砌厚度50 cm，布置雙層鋼筋，鋼筋間距20 cm。雷達圖像顯示DK29+908～DK29+910段拱頂深度40～49 cm 處存在信號異常，如圖9 所示，鋼筋網(wǎng)下方雷達圖像同相軸不連續(xù)，但脫空信號不明顯，根據(jù)模擬結(jié)果懷疑此處存在脫空現(xiàn)象，因雙層鋼筋干擾，脫空信號可能被遮掩。 為了避免出現(xiàn)錯判、漏判情況，對雷達解譯結(jié)果進行驗證，如圖10所示，在DK29+908.2 處鉆孔，并采用內(nèi)窺鏡驗證，鉆孔深度57 cm，在57 cm 處遇到防水板，0～40 cm混凝土完好，40 ～57 cm 為脫空，脫空上界面位于第一層鋼筋與第二層鋼筋之間，脫空大?。ㄉ疃确较颍?7 cm，但在雷達圖像上無明顯特征，僅出現(xiàn)同相軸不連續(xù)現(xiàn)象。

圖9 DK29+907～DK29+912 拱頂雷達圖像及DK29+908.2 處的單道波形

圖10 DK29+908.2 拱頂驗證結(jié)果

實例2：此異常位于某鐵路工程DK28+165～DK28+170 拱頂位置，設計資料顯示，此段隧道圍巖級別為Ⅴa，二次襯砌厚度50 cm，布置雙層鋼筋，鋼筋間距20 cm。雷達圖像顯示拱頂DK28+165.5～170段，深度27～40 cm 處存在信號異常，如圖11 所示，鋼筋下層出現(xiàn)強反射，以低頻信號為主，出現(xiàn)多次反射，疑似脫空，但同相軸基本連續(xù)。 為驗證判斷結(jié)果的準確性，如圖12 所示，在DK28+167.8 處鉆孔，并采用內(nèi)窺鏡驗證，鉆孔深度53 cm，0～53 cm 混凝土均完好，不存在脫空現(xiàn)象。 因此，在雙層鋼筋影響下，即便雷達圖像出現(xiàn)明顯的脫空信號也未必一定存在脫空。

圖11 DK28+165～DK28+170 拱頂雷達圖像及DK28+167.8 處的單道波形

圖12 DK28+167.8 拱頂驗證結(jié)果

4 結(jié)語

本文在隧道襯砌常用鋼筋參數(shù)的基礎上，建立雙層鋼筋、 脫空及鋼筋背后脫空等3 種正演模型，通過GPRMax2.0 雷達模擬軟件模擬獲得相應雷達圖像，從波形特征、頻率、相位等特征方面對正演結(jié)果進行分析，并結(jié)合隧道襯砌雷達實測數(shù)據(jù)分析及鉆芯驗證結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1）選用合適的雷達天線能清晰顯示脫空的上、下界面，分析出空洞大小，電磁波在空洞兩端易出現(xiàn)雙曲線反射，空洞上方的反射明顯較端點處弧形反射強；（2）地質(zhì)雷達在探測襯砌雙層鋼筋時， 選用合適的雷達天線能清晰、準確地檢測到首層鋼筋，下層鋼筋受上層鋼筋影響較大，無法準確探測；鋼筋下層空洞區(qū)域同相軸不連續(xù)，空洞下界面在雷達圖像上無顯示，上界面信號相對較弱，易被干擾信號覆蓋，常難以獲得可靠的脫空界面信號；現(xiàn)場檢測時，應合理調(diào)節(jié)增益參數(shù)，降低干擾信號反射強度，突出目標體反射信號；（3）雙層鋼筋背后脫空檢測是雷達檢測的難題，存在較多的干擾信號，雷達圖像上明顯的脫空信號也未必是隧道襯砌內(nèi)部的真實反映，為提高檢測結(jié)論的準確性，應提高雙層鋼筋下方異常信號的驗證比例。