地質雷達在引水隧洞襯砌檢測中的正演模擬研究

呂 阿 談

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

新建引水隧洞，襯砌是隧洞的主要承載結構和重要的防水設施，受施工中諸多因素的影響，引水隧洞襯砌可能會出現達不到設計要求的質量問題，引水隧洞襯砌施工質量的好壞，將直接影響引水工程的使用壽命[1,2]。因此，為及時發現引水隧洞襯砌質量問題，需及時的對引水隧洞襯砌質量進行快速和高分辨率的檢測。地質雷達作為一種檢測引水隧洞襯砌施工質量的無損檢測方法，其采用先進的連續掃描無損探傷技術，探測精度高，連續掃描，可獲得引水隧洞襯砌探測的連續結果，具有快速、高效、經濟、簡便的優點，對引水隧洞環境具有很強的適應性，目前已經被廣泛應用于引水隧洞襯砌施工質量檢測。

2 地質雷達原理

2.1 地質雷達基本原理

地質雷達探測原理是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式來探測隱蔽介質分布和目標物。當發射天線向被測物發射高頻寬帶短脈沖電磁波時，遇到不同介電特性的介質就會有部分電磁波能量返回，接收天線接收反射回波，并由主機記錄下來，同時記錄反射時間，形成雷達剖面圖。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。因此，根據接收到的電磁波特征及波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可以推斷出介質的內部結構以及目標體的深度、形狀等特征參數，進行地質解釋[3]。地質雷達原理示意圖如圖1所示。

2.2 地質雷達對引水隧洞襯砌檢測可行性分析

地質雷達波是一種超高頻短脈沖電磁波，其具有波的一般屬性，在不同介質的傳播過程中，會產生反射、透射和各種繞射，對引水隧洞襯砌的探測主要由反射回波信號的強弱所決定，其強弱主要由反射系數決定[4]。

在巖層環境中，磁導率基本保持不變，反射系數為：

(1)

其中，ε1,ε2分別為上下地層的相對介電常數。

引水隧洞襯砌中，巖石的相對介電常數為4～8，混凝土的相對介電常數為4～20，鋼筋等一些金屬的相對介電常數為300，這些結構物與圍巖的相對介電常數存在較大的差異。因此，可以選用地質雷達進行引水隧洞襯砌質量的檢測。

3 引水隧洞襯砌正演模擬

3.1 鋼筋正演模擬研究

3.1.1單層鋼筋模擬

在引水隧洞中，對于襯砌中鋼筋的檢測，鋼筋可能存在間距設置不符合實際要求，鋼筋缺失，鋼筋的埋深不一致，存在不同直徑的鋼筋等一些質量缺陷，通過正演模擬，獲得這些缺陷的地質雷達相應特征，對于現場工作具有指導意義。

基于GPRMAX建立模型，鋼筋模型參數如表1所示，模型大小為2.5 m×2.5 m，天線的中心頻率為900 MHz，時窗為18 ns；FDTD網格差分步長為0.003 m；采用同步法測量，接收和發射天線的移動步長為0.02 m；采用PML吸收邊界條件，PML層設為10網格數。模型第一層設置為空氣層，厚度0.01 m，εr為1；模型第二層為襯砌層，厚度為0.49 m，εr為10；模型第三層為圍巖，厚度為2.00 m，εr為4；模型示意圖如圖2所示；正演成果圖如圖3～圖6所示。

表1 鋼筋參數表

從鋼筋缺陷不同情況的正演成果圖中看出，由于鋼筋與混凝土的相對介電常數差距大，鋼筋信號在地質雷達圖上特征反應明顯，反射回波信號強，存在多次波，波形為開口向下的雙曲線特征，根據正演成果圖，雙曲線頂點所在的位置為鋼筋所在位置，其埋深可以根據雙曲線頂點處的時間與電磁波波速求得，并確定其位置[5]。隨著鋼筋間距的逐漸縮小，鋼筋之間的反射波信號開始相互干擾，不易分辨出鋼筋的具體位置(見圖3)，這是受限于主頻900 MHz天線的橫向分辨率，900 MHz天線的橫向分辨率是0.07 m，由于鋼筋模型設計間距最小為0.05 m，小于橫向分辨率0.07 m，地質雷達反射回來的信號相互干擾，不易分辨出兩根鋼筋的具體位置。由于鋼筋的缺失會導致鋼筋間距增大，由圖4可以明顯看出，第五根和第九根鋼筋間距突然增大，因此判斷第五根、第九根鋼筋缺失。隨著鋼筋埋深的增大，鋼筋反射的雙曲線開口逐漸增大(見圖5)，由于電磁波在傳播過程中，能量逐漸衰減，雙曲線逐漸模糊，并且不同埋深的鋼筋反射雙曲線存在互相干擾。隨著鋼筋直徑的增大(見圖6)，其反射信號逐漸增強，雙曲線頂點的位置反射能量逐漸增強，更加容易確定鋼筋的位置，但是雙曲線的開口大小卻沒有明顯的變化，說明雙曲線的開口大小與鋼筋直徑沒有直接關系。

3.1.2雙層鋼筋正演模擬

在引水隧洞襯砌中，雙層鋼筋支護普遍存在，因此通過地質雷達正演模擬雙層鋼筋，對于現場工作具有指導意義。

基于GPRMAX建立雙層鋼筋模型，模型參數具體同單層鋼筋。設計為兩個模型，第一個模型為：第一層鋼筋埋深為0.10 m，第二層鋼筋埋深0.12 m；第二個模型為：第一層鋼筋埋深為0.10 m，第二層鋼筋埋深為0.30 m。模型示意圖如圖7,圖8所示；正演成果圖如圖9，圖10所示。

從正演成果圖中分析，圖9中雙層鋼筋并未顯現出具體的波形，圖10中明顯的顯現出第二層鋼筋的反射信號，這主要是因為900 MHz天線垂直分辨率為0.03 m，當雙層鋼筋的垂直間距大于主頻天線900 MHz的垂直分辨率時，在地質雷達剖面圖上才能分辨出雙層鋼筋反射信號，圖9中雙層鋼筋的垂直間距為0.02 m，小于900 MHz天線的垂直分辨率，故不能分辨出第二層鋼筋的信號；圖10中雙層鋼筋的間距為0.20 m，大于900 MHz天線的垂直分辨率，故能夠分辨出雙層鋼筋。

3.2 鋼拱架正演模擬研究

引水隧洞開挖的巖性地質條件較差時，需要設置鋼拱架，如Ⅵ類圍巖，襯砌中既要設置鋼拱架，還需設置有鋼筋，通過地質雷達正演獲得引水隧洞襯砌中含有鋼拱架和鋼筋的反射信號特征，對于現場地質雷達檢測襯砌的成果判讀具有一定的指導意義。

基于GPRMAX建立鋼拱架模型，具體模型參數同單層鋼筋，鋼拱架參數εr為300，尺寸為0.10 m×0.15 m，間距為0.20 m，埋深為0.50 m；含有鋼筋的鋼拱架模型為：鋼筋埋深為0.10 m，鋼拱架埋深為0.50 m。通過模擬獲得模型示意圖如圖11,圖12所示，成果圖如圖13，圖14所示。

從正演成果圖中分析，在混凝土與基巖的交界處的反射界面上存在七個鋼拱架的反射信號，反射信號均為開口向下的雙曲線特征，由于鋼拱架尺寸較寬，鋼拱架的反射雙曲線開口較大，雙曲線頂部較寬。通過計算及結合雙曲線的形態可以確定鋼拱架的數目、鋼拱架間距以及埋深。由于鋼拱架上方存在鋼筋，鋼筋的反射信號能量強，大部分能量已經反射回去，下層的鋼拱架反射信號較弱，很難分辨出其特征。

3.3 襯砌厚度不足模擬

由于施工工藝以及現場條件的影響，可能存在施工襯砌厚度不滿足設計的要求，因此，在襯砌厚度不足的情況下進行地質雷達正演模擬，獲得其信號響應特征，對地質雷達成果判讀具有指導意義。

基于GPRMAX建立襯砌厚度不足模型，具體模型設計為襯砌設計標準：0.49 m，襯砌厚度最薄處為0.24 m。通過模擬獲得如圖15，圖16所示。

從正演成果圖中分析可知，混凝土與基巖交界面存在一條十分明顯的界面，由于襯砌厚度不足，交界面處的同相軸從襯砌厚度最薄處斷開，形成另外一處同相軸，根據正演模擬，此處的深度就是襯砌厚度最薄處的埋深，根據電磁波波速以及時間可以計算出襯砌最薄處的厚度。

3.4 脫空模擬

引水隧洞的施工中，由于施工條件的限制，襯砌可能存在脫空現象，由于脫空的存在，襯砌可能起不到支護和防水的功能，對于引水隧洞的正常使用帶來安全隱患。

基于GPRMAX建立脫空模型，脫空模型設計為倒三角，脫空尺寸分別為0.4 m×0.3 m，0.3 m×0.2 m，0.2 m×0.1 m，正方形脫空為0.10 m×0.10 m，εr為1。通過模擬獲得模型示意圖17和正演成果圖18。

根據正演成果圖分析，在脫空與混凝土交界面處脫空的反射能量較強，存在多次反射波，隨著脫空尺寸的減少，位于交界面處的反射能量逐漸減弱，當脫空尺寸減小到一定程度時，脫空的反射波特征逐漸變為雙曲線特征，頂點位置即為脫空的頂界面中心位置，同時，脫空的響應特征與脫空的形狀關系不大。

4 結語

通過對引水隧洞襯砌的正演模擬可知，地質雷達對于引水隧洞襯砌中的鋼筋和鋼拱架檢測需要根據設計資料綜合選擇地質雷達的主頻天線。對于檢測襯砌背后脫空和襯砌厚度不足需要采集高質量的數據并結合現場地質資料進行綜合判讀。

根據鋼筋、鋼拱架、脫空和襯砌厚度不足的電磁參數，建立精確的地質模型，通過地質雷達正演軟件GPRMAX2D軟件可以得到較精確的鋼筋、鋼拱架、脫空、襯砌厚度不足的正演模擬圖像，清晰的反映出其成像特征，證明地質雷達在引水隧洞襯砌的檢測和圖像識別是可行的，其響應特征能夠為技術人員的準確判讀提供重要依據。