耿大新，李洪梅，郭 俊，梁國卿

（1.華東交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院巖土研究所，江西 南昌330013；2.南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司，江西 南昌330000；3.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌330103）

地質(zhì)雷達(dá)（簡稱GPR），是利用不同媒質(zhì)介電常數(shù)的差異對地下或物體內(nèi)不可見的目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的一種淺層地球物理探測方法。因其檢測連續(xù)、快速、無損、高效及易攜帶、操作簡易等優(yōu)點，地質(zhì)雷達(dá)法在檢測行業(yè)中運用廣泛。然而，地質(zhì)雷達(dá)檢測法尚存在雷達(dá)圖的準(zhǔn)確分辨率不高、檢測深度與檢測精度相矛盾等缺陷。近幾年，運用地質(zhì)雷達(dá)檢測方法測定隧道的襯砌結(jié)構(gòu)（尤其二次襯砌）的質(zhì)量和病害，以及地質(zhì)雷達(dá)檢測方法的使用精確度等問題頗受業(yè)界人士的關(guān)注。學(xué)者們對其應(yīng)用于隧道襯砌的檢測進(jìn)行了大量的試驗和正反演模擬研究。2000年，美國科研小組通過二次襯砌實驗?zāi)Ｐ脱芯?，對模型中布設(shè)的常見病害及不同媒質(zhì)進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)法檢測，重點研究了地質(zhì)雷達(dá)在此檢測過程中的精確度和探測深度［1］；Michael Scott 和Park S K［2-3］也分別對不同埋設(shè)尺寸與深度的空洞和鋼筋的橋面板和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實驗?zāi)Ｐ脱芯?，分析了這些布設(shè)對地質(zhì)雷達(dá)圖像的影響；朱彤，楊艷壽［4-5］分別對隧道素混凝土襯砌和鋼筋混凝土襯砌背后空洞及不密實病害的辨識及精確度進(jìn)行了試驗?zāi)Ｐ脱芯?；Bergner J P，劉四新，等［6-8］研究了FDTD防真的頻散介質(zhì)吸收邊界條件的實現(xiàn)方法；戴前偉，等［9-10］對襯砌常見病害進(jìn)行了各種地電模型的模擬研究，分析了病害的地質(zhì)雷達(dá)時間剖面圖的特點。

然而，這些研究主要是對常見病害進(jìn)行單獨的試驗和模擬分析，少有考慮隧道襯砌布設(shè)鋼筋網(wǎng)時對其常見病害檢測的綜合研究。為了對地質(zhì)雷達(dá)在復(fù)雜的隧道襯砌病害的應(yīng)用的進(jìn)一步研究，制作了一個大型的隧道襯砌模型，并在模型中布設(shè)了空洞、空洞積水和混凝土析水等病害。通過對比地質(zhì)雷達(dá)法檢測的地質(zhì)雷達(dá)深度剖面圖和實際的襯砌布設(shè)情況，分析了襯砌分別在雙層鋼筋網(wǎng)、單層鋼筋網(wǎng)和素混凝土區(qū)3種情況下病害的反射特征。

1 模型試驗與GPR檢測

1.1 試驗?zāi)Ｐ偷牟季?/h3>

為更貼近隧道襯砌的實際情況，在混凝土水泥路面（現(xiàn)場取樣，厚25 mm）和防水板（塑料板模擬）上用預(yù)拌商用混凝土（C30）現(xiàn)澆了二次襯砌，其尺寸為6.0 m×1.5 m×0.45 m。試驗?zāi)Ｐ头譃樗鼗炷羺^(qū)，單層鋼筋網(wǎng)區(qū)和雙層鋼筋網(wǎng)區(qū)；同時，在二次襯砌中的每一區(qū)段均布設(shè)了常見病害混凝土析水、空洞及空洞積水，布設(shè)示意圖見圖1～圖3。

圖1 二次襯砌病害布設(shè)平面圖（mm）Fig.1 The damage layouts in the tunnel lining（mm）

圖2 東測線病害布設(shè)剖面圖（mm）Fig.2 Longitudinal section of the damage layouts（the East side）（mm）

圖3 西測線病害布設(shè)剖面圖（mm）Fig.3 Longitudinal section of the damage layouts（the West side）（mm）

鑒于研究的重點為鋼筋網(wǎng)的存在對隧道二次襯砌常見病害檢測的影響研究，所以，從外界環(huán)境限制、對比性等方面綜合考慮，隧道襯砌的空洞和混凝土析水病害布設(shè)情況如表1、表2所示。

1.2 試驗材料的確定

試驗中用薄塑料板模擬初次襯砌與二次襯砌之間的防水層，以貼近實際情況。圓形空洞，用直徑為110 mm 和50 mm 的PVC 管模擬，并通過PVC 管中密封自來水模擬積水；矩形空洞（脫空）用矩形三合板空箱模擬；混凝土析水，用滿含碎石和濕砂的矩形三合板箱模擬。具體模型如圖4。

圖4 襯砌鋼筋網(wǎng)及各病害的模型Fig.4 The model of the double rebar and diseases

1.3 襯砌表面測線的布設(shè)

鑒于隧道二次襯砌中的病害布設(shè)主要沿東西兩個方向分布，在二次襯砌1/4和3/4寬度處分別布置東西測線，如圖5所示。

表1 空洞病害布設(shè)Tab.1 The layouts of voids

表2 混凝土析水病害布設(shè)Tab.2 The layouts of concrete bleedings

圖5 測線布置圖Fig.5 The survey line

1.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測儀器及參數(shù)設(shè)置

隧道襯砌模型灑水養(yǎng)護(hù)28天，采用配置有主機(jī)ProEX和中心頻率為800 MHz的天線的瑞典地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測。綜合考慮到病害的布設(shè)情況以及檢測的分辨率，采樣參數(shù)等依尼奎斯特采樣定理計算和經(jīng)驗［11-12］取值如表3所示。

表3 800 MHz天線的采集參數(shù)Tab.3 The acquisition parameter of the GPR with antenna of 800 MHz

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果與分析

依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測的原始數(shù)據(jù)，利用REFLEXW軟件將檢測信號進(jìn)行濾波和增益處理等，可得東西測線的地質(zhì)雷達(dá)時間深度剖面圖，如圖6、圖7。

圖6 東測線地質(zhì)雷達(dá)時間深度剖面圖Fig.6 Geological radar profile for the east line

圖7 西測線地質(zhì)雷達(dá)時間深度剖面圖Fig.7 Geological radar profile for the west line

2.1 鋼筋網(wǎng)的檢測

對比分析圖2、圖3與圖6、圖7，鋼筋的地質(zhì)雷達(dá)圖像辨識存在如下現(xiàn)象：①單層鋼筋網(wǎng)，其數(shù)量與位置（深度與間距）顯示清晰準(zhǔn)確；②雙層鋼筋網(wǎng)，其數(shù)量及上層鋼筋位置顯示清晰且準(zhǔn)確，而其下層鋼筋的位置（深度）出現(xiàn)極大偏差，下層鋼筋網(wǎng)與上層的的檢測間距只有100 mm左右，這與實際布置間距（350 mm）相差太大；③下層鋼筋網(wǎng)的反射波形的同相軸與上層鋼筋稍有差異。

初步分析，雙層鋼筋的間距誤差的可能原因主要有3個：電磁波在鋼筋與天線間多次反射導(dǎo)致雙層鋼筋間距的誤差；雙層鋼筋間的其他病害布設(shè)，導(dǎo)致電磁波反射疊加導(dǎo)致上下層鋼筋網(wǎng)的相位變化；距離測線75 mm的沿測線方向的鋼筋對電磁波反射的影響導(dǎo)致相位變化。而雙層鋼筋的同相軸的差別主要源于鋼筋網(wǎng)的安裝工藝。

2.2 空洞及空洞積水的檢測

試驗?zāi)Ｐ椭锌斩床『χ饕獜奶畛錉顟B(tài)（滿含水、半含水、無水）、形狀與尺寸、深度及埋設(shè)位置（是否在鋼筋網(wǎng)下面）4個方面予以設(shè)置。

1）空洞積水狀況對檢測結(jié)果的影響。對比圖6、圖7中的不同空洞的地質(zhì)雷達(dá)圖像，可知：無水空洞4～9只有一個反射界面，滿含水空洞1和半含水空洞2則均呈現(xiàn)3個反射界面。這主要原因是電磁波遇不同媒質(zhì)會發(fā)生反射，不含水空洞為混凝土-空氣-混凝土，半含水空洞為混凝土-空氣-水-混凝土，滿含水空洞理論上為混凝土-水-混凝土（滿含水的條件難以達(dá)到，出現(xiàn)混凝土-空氣-水-混凝土的情況）?？諝狻⒒炷?、水3種媒質(zhì)的相對介電常數(shù)分別為1，6.4和81，且電磁波進(jìn)入相對介質(zhì)較小的媒質(zhì)時，反射波形為正波，從而反射波形的最外層表現(xiàn)為白色［13］。所以，空洞的含水狀態(tài)可通過地質(zhì)雷達(dá)圖像明確判斷。

2）空洞的形狀對檢測結(jié)果的影響。鑒于施工中的空洞（脫空）實際情況，試驗中設(shè)置了矩形空洞（D/E/F）和圓形空洞（1～9）。從地質(zhì)雷達(dá)剖面圖不難發(fā)現(xiàn)：矩形空洞（脫空）的反射波強(qiáng)烈，且脫空的中間部分更為顯著，反射界面表現(xiàn)為頂面水平、底面拋物線形；而圓形空洞的反射波形則表現(xiàn)為雙曲線形。從而，實際檢測中容易區(qū)分矩形脫空和圓形空洞。

3）空洞尺寸對檢測結(jié)果的影響。鑒于矩形脫空的自身性，脫空寬度不會很小，反射波的特征差異也不大。所以，試驗中，只考慮圓形空洞的尺寸影響。由地質(zhì)雷達(dá)檢測圖像可知，800 MHz的天線對直徑為50 mm的圓形空洞檢測不明顯，從而可知地質(zhì)雷達(dá)（配800 MHz天線）的檢測精度大約為50 mm。

4）空洞埋深對檢測結(jié)果的影響。比較空洞7、8可得，埋深較淺的空洞其電磁反射波更加強(qiáng)烈，更易區(qū)分辨別。其主要原因是病害深度越深，電磁波在傳播過程中的能量損失越大。空洞7、8均位于二襯和初襯的交界處，故用800 MHz天線檢測埋深40 mm的較大尺寸病害可行。

5）鋼筋網(wǎng)對空洞檢測結(jié)果的影響。從圖6、圖7中可知：布設(shè)在雙層鋼筋網(wǎng)之間的空洞4因受上層鋼筋的影響隱約可以判斷識別，且空洞4對上層鋼筋網(wǎng)反射波影響甚微。而半含水的圓形空洞3因雙層鋼筋反射影響呈現(xiàn)豎向條狀多重反射，反射較強(qiáng)烈；并且與雙層鋼筋的反射波相互影響，反射界面無從分辨，從而不易判斷空洞3的具體時間深度、尺寸與積水狀態(tài)。

2.3 混凝土析水病害的檢測

混凝土析水病害主要布設(shè)于西測線附近，故由圖7可知：

1）布設(shè)于無鋼筋區(qū)的析水區(qū)域C（濕砂）反射波很微弱。從而可知模型在養(yǎng)護(hù)28天后，析水區(qū)域的濕砂含水量由于木板箱的存在而沒有大量減少，故含水量的存在顯著削弱了反射波的能量，使得析水區(qū)域C在剖面圖中很難辨識。

2）布設(shè)于單層鋼筋網(wǎng)下的析水區(qū)域B（濕砂）的反射波卻較強(qiáng)烈，其主要原因很可能是濕砂的水份大量流失。

3）布設(shè)于雙層鋼筋間的析水區(qū)域A（碎石）處的雷達(dá)反射波明顯要比析水區(qū)域B和C要強(qiáng)烈，并且表現(xiàn)為明顯的帶狀矩形區(qū)。經(jīng)分析主要有4 個原因：析水區(qū)域A（碎石）埋深較淺，電磁波能量消耗少，反射強(qiáng)烈；碎石與混凝土見的相對介電常數(shù)差異比細(xì)砂的大；濕砂含水量比碎石大使得反射信號明顯減弱［14］；下層鋼筋的存在對析水區(qū)域A的反射起到一定的反射增強(qiáng)作用。

綜上可得：鋼筋網(wǎng)的存在，對其上方的析水病害的檢測有一定的反射增強(qiáng)現(xiàn)象，而對析水病害的反射波形在地質(zhì)雷達(dá)時間深度剖面圖的表觀特征無明顯影響。

3 結(jié)論

目前，較多隧道的二次襯砌中布設(shè)有鋼筋網(wǎng)，且多有空洞和混凝土析水等病害，故此，研究隧道二次襯砌內(nèi)鋼筋網(wǎng)的布設(shè)檢測、空洞與析水等常見病害的檢測以及鋼筋網(wǎng)的存在對空洞、析水等病害檢測結(jié)果的影響，具有很重要的實用價值。本文采用800 MHz中心頻率屏蔽天線針對不同埋深、不同布設(shè)條件下的二次襯砌病害的GPR時間深度剖面圖的特征與規(guī)律進(jìn)行了初步的研究。試驗結(jié)果表明：

1）上層鋼筋的數(shù)量與間距可通過GPR剖面圖清晰準(zhǔn)確地判斷，而雙層鋼筋網(wǎng)中下層鋼筋的反射波明顯比上層弱，且兩層間的距離與實際狀況卻存在極大的差異；雙層鋼筋網(wǎng)的相位存在差異，主要因為鋼筋網(wǎng)的安裝工藝。

2）空洞存在積水時，GPR圖像一般會出現(xiàn)三個反射界面，從而為判斷空洞中是否含有積水提供經(jīng)驗依據(jù)。

3）無積水空洞的存在對鋼筋網(wǎng)反射特征的影響甚微，而鋼筋網(wǎng)的反射會削弱無水空洞的反射強(qiáng)度；另外，含水空洞的反射信號與鋼筋網(wǎng)的反射相互影響，且影響較大。

4）鋼筋網(wǎng)的存在，使其上方混凝土析水病害的反射波在一定程度上增強(qiáng)，而對析水病害的反射波形在地質(zhì)雷達(dá)時間深度剖面圖的表觀特征無明顯影響。

[1]SIGGINS A F,WHITELY R J.A laboratory simulation of high frequency GPR responses of damaged tunnel liners[J].The International Society for Optical Engineering.2010,40(11):805-811.

[2]PARK S K,UOMOTO T.Radar image processing for detection of shape of voids and location of reinforcing bars in or under reinforced concrete[J].Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,1997,39(7):488-492.

[3]Scott M, Rezai-zadeh A, Moore M. Ground penetrating radar technology for detection and identification of common bridge deck features[R].Wiss,Janney,Elstner and Associates,Inc,2001,4.

[4]朱彤,李興,周晶,等.層隧道襯砌空洞及積水的地質(zhì)雷達(dá)識別和應(yīng)用[J].中國水運,2012,12(8):198-201.

[5]楊艷青,賀少輝,齊法琳,等.鐵路隧道復(fù)合式襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測模擬試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(6):1160-1165.

[6]葛德彪.電磁波時域有限差分方法[M].3版.西安電子科技大學(xué)出版社,2011:37-137.

[7]BERENGER J P.Perfectly matched layer for the FDTD solution of wave-structure interaction problem[J].Antennas Propagation,IEEE Translations on,1996,44(1):110-117.

[8]劉四新,曾昭發(fā).頻散介質(zhì)中地質(zhì)雷達(dá)波傳播的數(shù)值模擬.地球物理學(xué)報[J].2007,50(1):320～326.

[9]戴前偉,馮德山,王啟龍,等.時域有限差分法在地質(zhì)雷達(dá)二維正演模擬中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2004,19(4):898-902.

[10]孫忠輝,劉金坤,張新平等.基于GPRMAX的隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測正演模擬與實測數(shù)據(jù)分析[J].工程地球物理學(xué)報,2013,10(5):730-735.

[11]柳建新,HARRY M J.探地雷達(dá)理論與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2011:51-90.

[12]汪謀,地質(zhì)雷達(dá)探測效果影響因素研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2007,5(2):86-90.

[13]王通,張虎元.高頻電磁波在媒質(zhì)中的反射波特征分析[J].工程勘察,2011(2):85-89.

[14]劉恒柏,朱安寧,等.不同水分條件下粗砂土剖面中目標(biāo)物的GRP圖像特征及其解譯[J].土壤,2009,4(1):112-117.