應用雷達檢測盾構管片背后空洞的研究

劉士棟

廣州市市政工程試驗檢測有限公司 廣東 廣州 510000

1 研究背景

目前中國有40多個城市正在籌建地鐵等軌道交通項目，隨著地鐵建設的大規模發展，盾構施工方法得到越來越廣泛的應用，而在地下復雜地質條件中進行盾構施工時，因盾構管片注漿填充效果不理想或圍巖條件不佳而出現空缺或者松散層等相關方面的問題，有眾多缺陷，在這樣的情況下導致隧道的圍巖結構不夠安全穩定，可能釋放巨大壓力，進而導致地表很可能產生不均勻沉降等相關問題，甚至導致橋梁隧道有嚴重變形的情況，在運營的過程中也不夠安全穩定，內部結構極有可能出現變形，扭曲，這對于隧道的安全運行和經營管理都會造成嚴重影響，同時也嚴重危害地鐵運行的舒適度和安全性，所造成的危害十分嚴重，甚至造成不可逆的損害，出現嚴重的人員傷亡事故。

在隧道工程質量隱患檢測以及地質工程方面已被廣泛應用，在對山嶺隧道施工中的初期支護及二次模筑混凝土襯砌質量檢測時，無論檢測方法還是影像的判別，均有比較成熟的處理分析資料和相應的規范做參考，而對于城市地下隧道盾構施工方法中，存在盾構管片內部鋼筋密集，管片背后注漿巖土為非均質體等諸多困難，探地雷達的使用普及率較低，技術資料及規范還在不斷完善中。

2 探地雷達技術

2.1 探地雷達原理

地質雷達法是采用電磁波，通過對各種介質內不可見目標物或者分界面進行連續掃描。當電磁波在介質中傳播時，其電磁場的磁場強度特別劇烈，然后通過介質的結合性的變化而產生巨大的變化，值得關注的是某些電磁波，在反射的過程中，極有可能通過抑制雷達對反射的信號進行收集，然后利用分析和處理的模式，進一步明確介質內部結構的相關情況，確定介質內部結構形態和位置及不同介電常數介質的分界面，推測所測物體內部的鋼筋分布、內部缺陷及厚度等。地質雷達法檢測原理見圖1。

圖1 地質雷達法檢測原理示意圖

有針對性的結合電磁波的相關理論和傳播媒介效應，在地下不均勻的介質內部所呈現出的電磁波傳播速率V為：

式（1-1）中，C主要表示的是光速介質條件下的介電常數。通過具體分析，可以看到在介質中電磁波所呈現出的傳播規律可以獲取物體的具體深度d:

由式（1-2）可知:對于反射波的傳播時間進行探究，同時明確其幅度變化情況，這樣可以充分明確目標物體的具體位置和相關結構情況，因為地下的介質十分多樣，具有比較典型的衰減性質，因此使得電磁波在相位幅度等方面會隨著介質的變化而出現十分巨大的變化。無界均勻有耗媒質中電磁波電場表達式為：

由（1-4）式可知：衰減系數和相對應的頻率呈現出正比例的關系，也就是說頻率越高的話，所呈現出的電磁波介質衰減程度也就越大，由此可以充分看出對于天線的中心頻率而言和探測深度呈現出反比例的關系，在雷達圖像的分辨率方面和發射雷達的脈沖寬度有十分緊密的聯系頻率越高的話所呈現出的寬度越窄，反之亦然。針對雷達探測范圍而言，在具體的操作過程中受到周圍和目標體各類參數的影響比較大，要想呈現出更加理想的探測效能，需要充分明確目標體和周邊環境的具體情況，對其介電常數差異進行充分分析，這是十分必要的[1]。

2.2 探地雷達系統

對于探地雷達系統來說，主要涉及雷達的主機，天線，顯示模塊等相關內容，其示意圖如下圖2。雷達主機主要有接收機和發射機等等，并且直接連接天線，這樣可以針對相關數據進行雷達數字化傳輸，在發射機的應用過程中要結合具體的頻率要求發射相對應的信號，可以在發射機的發射過程中利用天線的形式使其轉化成為電磁波，以此進行有效傳播，確保信息可以有效傳播并且和其他物質材料進行融合作用，在目標體的部位可以產生相對應的微波信號，然后接收機對其進行接收，這樣可以呈現出良好的運用效果，探地雷達在對其進行信號處理的過程中最后在終端顯示器中進行呈現。

圖2 美國勞雷商業探地雷達系統

操作探地雷達系統的運行過程中針對目標檢測效果進行充分分析，并且充分明確相關參數：

（1）探測深度。通常情況下所涉及的探測深度要比目標埋深更深，大約深1.5倍左右，然后結合探測的具體深度選擇與之相對應的天線頻率同時根據深度的具體情況，有效明確相對應的介電常數，并且選擇相對應的視窗。

（2）針對測線進行科學合理的布置，也是十分關鍵的內容。對于具體操作而言，如果它是管狀的目標，在測線的過程中要結合垂直管線的具體方向來有效進行，如果是三維目標，在探測的過程中要匹配與之相對應的網狀側線模式，然后結合具體要求進一步明確，切實可行的測線間距。下圖為美國勞雷商業探地雷達系統。

3 探地雷達的數據模擬及多次波的消除

3.1 探地雷達的數據模擬-時域有限差分法（FDTD）

針對比較復雜的形體進行模擬的過程中，要充分明確探底雷達的波長特征，對于雷達的記錄進行精準管控，同時對于目標體要有效識別，例如針對探底雷達來說在盾構隧道壁后注漿探測的過程中要有效利用數值模擬的方法，建立與之相對應的模型，然后利用模型結果為數據的檢測和處理提供必要的支持，同時也要針對性的調整相關模型和參數，進一步明確參數對于結果的主要影響，這樣才能有效確保雷達數據更精準，有效為相關數據提供必要的解釋。所以在具體的操作過程中，要通過數據模擬的方式來明確探測數據，同時對其精準性進行解釋，這樣可以體現出應有的價值，針對數值進行模擬的方法設計多項內容，例如，時域有限差分法是比較典型的代表。

結合時域有限差理論的相關內容針對電子廠來說，在任何一個時間段所呈現出的磁場情況都和上個時間段的電磁場有關鍵性的聯系，因此在具體的操作過程中有效應用中心差分近似，時域有限差分方程在時空方面都具備應有的二階精度。時域方法，時域有限差分法在電磁問題的解決方面都呈現出什么顯著的應用價值，他們也都是比較典型的問題在區域范圍內電磁場如果為零的話，源激勵作用之下，這樣可以，行程有限差分方程在時間層面可以使其得到有效推進，形成相對應的電磁場在有限計算范圍之內，通過時空的離散效應，形成離散取樣電磁場量，數值對于電磁波傳播進行模擬，同時又和連續的電磁波也比較接近，這樣可以獲得區域范圍內的電磁信息。

FDTD方法在具體的操作過程中也得到十分廣泛的應用，在具體操作環節可以通過差分方程組的形式來替代電磁場偏微分方程組。離散后差分方程組的解是相對來說比較穩定的，這樣才能體現出應有的替代意義[2]。

3.2 多次波的消除

探地雷達對盾構隧道壁后注漿的探測，可以進一步充分明確混凝土碗片和土體空隙，漿液的具體分布狀態，同時在不同介質范圍內所呈現出的電磁性質，有著十分顯著的不同，在這樣的情況下就會是反射波呈現多種不同的狀態，這對于成像的精準性和穩定性會造成十分嚴重的影響，在這樣的背景之下，可以通過多次播和有效波的不同在變換區域，明確具體的差異，然后利用變換技術分離有效波和多次波士頓。有效波和多次波差異濾波方法如下表所示。

表1 基于有效波和多次波之間差異的濾波方法

現階段在針對濾波方法進行應用的過程中，所呈現出的差異，特性表現的周期性和可分離的特性，針對周期性來說，如果多次播有周期性，而有效波沒有周期性，在這樣的情況下通過相對應的特殊變換在全新的領域內，有效波和多次波可以被有效分離，然后利用人工法使多次獲得到有效消除。在針對濾波方法進行應用的過程中，要著重關注以下內容：

（1）如果具體條件能滿足相關要求，從根本上有效消除多次波，更有甚者對有效波也會造成不同程度的損傷。

（2）不能通過一維方法對二維三維數據進行多次不夠問題的解決，通過多維方法可以通過多維波動理論進行有效推動與其他方法進行對比，可以看到濾波方法，更切實可行，符合經濟性合理性要求，比其他方法經濟、實用，在雷達解釋軟件RAND7中可以根據圖像根據經驗靈活使用，常被作為首選。

4 探地雷達檢測管片背后缺陷的實際應用

某城際軌道項目盾構隧道內發現981.5環后55m左邊墻位置出現裂紋，根據現場情況布設三條縱向測線，測線位置分別為A測線（982環后60m左拱腰位置），B測線（1010.5環后15m左邊墻10點鐘方向），C測線（9點鐘方向）。

選取該出廠批次的管片進行綜合介電常數的標定，在該管片隨機抽取三個位置，測量電磁波反射雙程時間，管片厚度經測量和設計圖紙核對后定為55cm：

表2 綜合介電常數計算表

本次檢測雷達采集參數： 400MHz天線：采樣時窗：25ns；掃描速率：50掃描/s；掃描樣點數：512點/掃描；A/D轉換：16位。900MHz天線：采樣時窗：20ns；掃描速率：100掃描/s；掃描樣點數：512點/掃描；A/D轉換：16位。

掃描完成后濾除多次反射波，處理后，得到如下影像:

圖3 隧道管片背后缺陷影像

圖4 隧道管片背后缺陷影像

圖5 左拱腰雷達影像（A線）密實影像（對照）

通過對該城際軌道項目盾構隧道內盾構管片的測量數據分析，得到表3結論，可以看到左邊墻（10點鐘方向）59.00m-62.50m處0.65m-0.70m深度出現強反射信號，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大，圖像差異性明顯，辨識度高；左拱腰5.00m-7.50m處0.60m-0.65m深度出現強反射信號，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大，圖像差異性明顯，辨識度高，而于此對照的左拱腰22.00m-30.00m范圍內整體區域無明顯反射，無異常，可判定為密實。

表3 隧道管片背后密實情況檢測結果

5 結語

綜上所述可以看到在針對盾構隧道背后脫空問題進行探測過程中，有針對性的利用探地雷達系統，可以呈現出十分顯著的作用和效能，但是在具體的應用和研究方面仍然是十分棘手的問題，當前對于無損探測等相關研究，相對來說比較少，因為隧道的整體結構比較特殊，相關注漿分布狀態不能被及時有效的發現，因此導致注漿實際分布往往有很大的不確定性，因此需要進一步深入研究注漿的分布情況以及分布對于隧道整體的作用。在具體的操作過程中，可以通過探底雷達的形式無損檢測盾構隧道以此，更具有效的掌握盾構隧道漿液分布情況，依次進行相對應的補償注漿，這樣可以更有效的控制不均勻沉降的問題。

本文有這個新的，通過現場探測等方法，深入研究探底雷達在拓空探測方面的運行狀態，同時探究相關技術，進一步表明，在探底雷達的運行過程中所呈現出的探測結果，更切實可行，因此這種方法值得推廣，這樣可以更有效的明確相關數據。