探地雷達襯砌檢測典型缺陷圖像特征研究

劉藝瑋

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

探地雷達近年來在工程檢測領域中的使用急速增加，特別是在一些重要工程項目中，質量檢測廣泛采用雷達技術。鐵路公路隧道襯砌、高速公路路面、機場跑道等工程結構普遍采用地質雷達檢測。隧道襯砌作為支持和維護隧道長期穩定和耐久性的永久結構物，若是存在空洞、不密實等缺陷會將會對襯砌結構的安全性、耐久性產生顯著影響，造成大量人力、物力的浪費。因此，在進行襯砌無損檢測中，能夠快速準確的指明襯砌缺陷類型與位置并進行相應的處治，可以降低在后續施工與運營中發生災害的風險。本文利用gprMax正演模擬軟件對隧道襯砌無損檢測中典型缺陷圖像特征進行研究。

1 基本原理

1.1 探地雷達基本原理簡介

探地雷達利用一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接受來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中的傳播性質會由于材質物理性質的改變而發生變化，因此，根據電磁波的傳播特性的變化，可以推測傳播介質中引起電磁波傳播特性變化的物體所在的位置。

探地雷達的電磁波在介質中傳播的速度可近似表示為下式：

式中：c為電磁波在空氣中的傳播速度，為3×108m/s；εr為傳播介質的相對介電常數。

1.2 GprMax正演模擬原理簡介

GprMax是一款被設計用于模擬探地雷達或是其他類型電磁波傳播的軟件。通過基于有限差分時域(FDTD)原理將空間和時間離散化，在3D空間中利用Yee算法求解耦合的三維Maxwell旋度方程：

(1)

(2)

Yee算法在時間與空間中同時求解方程，所離散的Yee元胞如圖1所示。Yee元胞使每一個磁場分量由四個電場分量環繞的同時使每一個電場分量由四個磁場分量環繞，滿足法拉第感應定律和安培環路定律，并是電場與磁場在時間上交替抽樣[1]，并不斷循環直至完成時間步進過程。

圖1 Yee元胞示意

2 襯砌空洞缺陷正演模擬

襯砌空洞往往是由于混凝土收縮、流動性差、初支不平整、施工工藝等問題造成，在襯砌缺陷中較為常見。正演模擬中對材料設置的相對介電常數如表1所示。

表1 正演相對介電常數取值

2.1 空洞類型一

本部分主要為了模擬襯砌空洞缺陷中最為常見的類型，需要注意的是由于襯砌內形成的空洞形狀往往并不是規則的幾何圖形，為了研究缺陷圖像的共同特點，這里將空洞形狀簡化為圓形，內部由空氣填充，并將襯砌中較為常用的鋼拱架簡化為圓形，模型示意圖如圖2所示。模擬時天線在模型上方從左至右移動。

圖2 空洞類型一模型

正演模擬結果如圖3所示。從正演模擬結果可以看出，在因內部鋼拱架與模型表面造成的強反射帶中間，在模型中對應的空洞位置處也出現了數條強烈的反射帶。在該強反射帶內，不難看出，最上方的反射波是由于圓形空洞的上表面造成的，其下方存在數條反射波，形狀均為向上彎曲的曲線形狀。

圖3 空洞類型一正演模擬結果

2.2 空洞類型二

在隧道二次襯砌的施工中采用泵送混凝土工藝時，若是由于拔管、停泵過早，會在襯砌中產生典型的接近于三角(弧)形空洞。此類型空洞更傾向于出現在拱頂二次襯砌接縫處[2]。模型中將空洞形狀簡化為三角形(圖4)。天線于模型上方自左移動至右方。

圖4 空洞類型二模型

模擬結果如圖5所示從模擬結果看出，在模型中空洞的位置處同樣出現了一條向上彎曲的反射波，反射波曲線的頂點對應的是三角形空洞的上頂點位置?？斩吹倪吔缗c反射波對應的右半部分均為直線，并且在該條反射波下面(可見有反射波的存在。

圖5 空洞類型二正演模擬結果

3 襯砌不密實缺陷正演模擬

襯砌不密實往往是由于振搗不均勻或是回填物不密實造成的，同樣也是常見的襯砌缺陷之一。襯砌不密實往往出現在襯砌內部或是襯砌背部。采用的模擬的基本參數同表1。

建模中，將不密實缺陷視為在混凝土材料中出現的數個小型空洞，內部由空氣填充，模型示意圖如圖6所示。模擬時天線在模型上方從左至右移動。

圖6 不密實模型

正演模擬后的結果如圖7所示。綜合前面對于空洞模擬圖像的分析，結合模擬結果，可以看出，首先在模型內部空洞出現的最上方位置，出現了典型的向上彎曲的反射波，但是由于其下方襯砌介質并不均勻(有空洞重復出現)，因此下方的反射波極為雜亂，并且同相軸錯動毫無規律性，完全有別于單個空洞出現的情況。

圖7 不密實正演模擬結果

4 結論

本文通過對襯砌典型缺陷進行模擬，對典型缺陷的圖形特點進行研究，從而對實際檢測中圖像解譯提供參考。對通過綜合分析三次正演結果，可以得出以下結論：

(1)當襯砌內出現空洞缺陷時，在空洞與襯砌的交界面處會出現強烈的反射波，且一般情況下其下方會有反射波存在。

(2)當襯砌內出現不密實缺陷時，該出圖像主要特征為該段內出現強反射，并且同相軸錯斷毫無規律性。

(3)對比三次模型與正演結果可以發現，圖像中強反射帶出現的范圍與原模型中缺陷位置的范圍存在一定的差異，僅憑缺陷圖像準確的判定出襯砌缺陷范圍是較為困難的，因此在實際情況下需要檢測人員多依靠自身經驗來進行判斷。

本次模擬仍然存在一定的不足：

(1)實際的襯砌缺陷(空洞、不密實)形狀往往并不規則，因此在實際檢測中，缺陷圖像往往也不是規則的。僅憑模擬很難兼顧到各種缺陷情況。

(2)在實際的檢測過程中，通過調整雷達增益、濾波等手段使圖像層次更加清晰，但是本次模擬中沒有考慮這些因素。