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(shè)的大規(guī)模發(fā)展，盾構(gòu)施工方法得到越來越廣泛的應(yīng)用，而在地下復(fù)雜地質(zhì)條件中進(jìn)行盾構(gòu)施工時，因盾構(gòu)管片注漿填充效果不理想或圍巖條件不佳而出現(xiàn)空缺或者松散層等相關(guān)方面的問題，有眾多缺陷，在這樣的情況下導(dǎo)致隧道的圍巖結(jié)構(gòu)不夠安全穩(wěn)定，可能釋放巨大壓力，進(jìn)而導(dǎo)致地表很可能產(chǎn)生不均勻沉降等相關(guān)問題，甚至導(dǎo)致橋梁隧道有嚴(yán)重變形的情況，在運(yùn)營的過程中也不夠安全穩(wěn)定，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極有可能出現(xiàn)變形，扭曲，這對于隧道的安全運(yùn)行和經(jīng)營管理都會造成嚴(yán)重影響，同時也嚴(yán)重危害地鐵運(yùn)行的舒適度和安全性，所造成的危害十分嚴(yán)重，甚至造成不可逆的損害，出現(xiàn)嚴(yán)重的人員傷亡事故。

在隧道工程質(zhì)量隱患檢測以及地質(zhì)工程方面已被廣泛應(yīng)用，在對山嶺隧道施工中的初期支護(hù)及二次模筑混凝土襯砌質(zhì)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(yīng)的規(guī)范做參考，而對于城市地下隧道盾構(gòu)施工方法中，存在盾構(gòu)管片內(nèi)部鋼筋密集，管片背后注漿巖土為非均質(zhì)體等諸多困難，探地雷達(dá)的使用普及率較低，技術(shù)資料及規(guī)范還在不斷完善中。

2 探地雷達(dá)技術(shù)

2.1 探地雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)法是采用電磁波，通過對各種介質(zhì)內(nèi)不可見目標(biāo)物或者分界面進(jìn)行連續(xù)掃描。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時，其電磁場的磁場強(qiáng)度特別劇烈，然后通過介質(zhì)的結(jié)合性的變化而產(chǎn)生巨大的變化，值得關(guān)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(dá)對反射的信號進(jìn)行收集，然后利用分析和處理的模式，進(jìn)一步明確介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)情況，確定介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和位置及不同介電常數(shù)介質(zhì)的分界面，推測所測物體內(nèi)部的鋼筋分布、內(nèi)部缺陷及厚度等。地質(zhì)雷達(dá)法檢測原理見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測原理示意圖

有針對性的結(jié)合電磁波的相關(guān)理論和傳播媒介效應(yīng)，在地下不均勻的介質(zhì)內(nèi)部所呈現(xiàn)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(zhì)條件下的介電常數(shù)。通過具體分析，可以看到在介質(zhì)中電磁波所呈現(xiàn)出的傳播規(guī)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(jìn)行探究，同時明確其幅度變化情況，這樣可以充分明確目標(biāo)物體的具體位置和相關(guān)結(jié)構(gòu)情況，因為地下的介質(zhì)十分多樣，具有比較典型的衰減性質(zhì)，因此使得電磁波在相位幅度等方面會隨著介質(zhì)的變化而出現(xiàn)十分巨大的變化。無界均勻有耗媒質(zhì)中電磁波電場表達(dá)式為：

由（1-4）式可知：衰減系數(shù)和相對應(yīng)的頻率呈現(xiàn)出正比例的關(guān)系，也就是說頻率越高的話，所呈現(xiàn)出的電磁波介質(zhì)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(xiàn)出反比例的關(guān)系，在雷達(dá)圖像的分辨率方面和發(fā)射雷達(dá)的脈沖寬度有十分緊密的聯(lián)系頻率越高的話所呈現(xiàn)出的寬度越窄，反之亦然。針對雷達(dá)探測范圍而言，在具體的操作過程中受到周圍和目標(biāo)體各類參數(shù)的影響比較大，要想呈現(xiàn)出更加理想的探測效能，需要充分明確目標(biāo)體和周邊環(huán)境的具體情況，對其介電常數(shù)差異進(jìn)行充分分析，這是十分必要的[1]。

2.2 探地雷達(dá)系統(tǒng)

對于探地雷達(dá)系統(tǒng)來說，主要涉及雷達(dá)的主機(jī)，天線，顯示模塊等相關(guān)內(nèi)容，其示意圖如下圖2。雷達(dá)主機(jī)主要有接收機(jī)和發(fā)射機(jī)等等，并且直接連接天線，這樣可以針對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)數(shù)字化傳輸，在發(fā)射機(jī)的應(yīng)用過程中要結(jié)合具體的頻率要求發(fā)射相對應(yīng)的信號，可以在發(fā)射機(jī)的發(fā)射過程中利用天線的形式使其轉(zhuǎn)化成為電磁波，以此進(jìn)行有效傳播，確保信息可以有效傳播并且和其他物質(zhì)材料進(jìn)行融合作用，在目標(biāo)體的部位可以產(chǎn)生相對應(yīng)的微波信號，然后接收機(jī)對其進(jìn)行接收，這樣可以呈現(xiàn)出良好的運(yùn)用效果，探地雷達(dá)在對其進(jìn)行信號處理的過程中最后在終端顯示器中進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖2 美國勞雷商業(yè)探地雷達(dá)系統(tǒng)

操作探地雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中針對目標(biāo)檢測效果進(jìn)行充分分析，并且充分明確相關(guān)參數(shù)：

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

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

3 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)模擬及多次波的消除

3.1 探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)模擬-時域有限差分法（FDTD）

針對比較復(fù)雜的形體進(jìn)行模擬的過程中，要充分明確探底雷達(dá)的波長特征，對于雷達(dá)的記錄進(jìn)行精準(zhǔn)管控，同時對于目標(biāo)體要有效識別，例如針對探底雷達(dá)來說在盾構(gòu)隧道壁后注漿探測的過程中要有效利用數(shù)值模擬的方法，建立與之相對應(yīng)的模型，然后利用模型結(jié)果為數(shù)據(jù)的檢測和處理提供必要的支持，同時也要針對性的調(diào)整相關(guān)模型和參數(shù)，進(jìn)一步明確參數(shù)對于結(jié)果的主要影響，這樣才能有效確保雷達(dá)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，有效為相關(guān)數(shù)據(jù)提供必要的解釋。所以在具體的操作過程中，要通過數(shù)據(jù)模擬的方式來明確探測數(shù)據(jù)，同時對其精準(zhǔn)性進(jìn)行解釋，這樣可以體現(xiàn)出應(yīng)有的價值，針對數(shù)值進(jìn)行模擬的方法設(shè)計多項內(nèi)容，例如，時域有限差分法是比較典型的代表。

結(jié)合時域有限差理論的相關(guān)內(nèi)容針對電子廠來說，在任何一個時間段所呈現(xiàn)出的磁場情況都和上個時間段的電磁場有關(guān)鍵性的聯(lián)系，因此在具體的操作過程中有效應(yīng)用中心差分近似，時域有限差分方程在時空方面都具備應(yīng)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(xiàn)出什么顯著的應(yīng)用價值，他們也都是比較典型的問題在區(qū)域范圍內(nèi)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(jìn)，形成相對應(yīng)的電磁場在有限計算范圍之內(nèi)，通過時空的離散效應(yīng)，形成離散取樣電磁場量，數(shù)值對于電磁波傳播進(jìn)行模擬，同時又和連續(xù)的電磁波也比較接近，這樣可以獲得區(qū)域范圍內(nèi)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(yīng)用，在具體操作環(huán)節(jié)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(wěn)定的，這樣才能體現(xiàn)出應(yīng)有的替代意義[2]。

3.2 多次波的消除

探地雷達(dá)對盾構(gòu)隧道壁后注漿的探測，可以進(jìn)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(tài)，同時在不同介質(zhì)范圍內(nèi)所呈現(xiàn)出的電磁性質(zhì)，有著十分顯著的不同，在這樣的情況下就會是反射波呈現(xiàn)多種不同的狀態(tài)，這對于成像的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性會造成十分嚴(yán)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(qū)域，明確具體的差異，然后利用變換技術(shù)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(xiàn)階段在針對濾波方法進(jìn)行應(yīng)用的過程中，所呈現(xiàn)出的差異，特性表現(xiàn)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(yīng)的特殊變換在全新的領(lǐng)域內(nèi)，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(jìn)行應(yīng)用的過程中，要著重關(guān)注以下內(nèi)容：

（1）如果具體條件能滿足相關(guān)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(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行有效推動與其他方法進(jìn)行對比，可以看到濾波方法，更切實可行，符合經(jīng)濟(jì)性合理性要求，比其他方法經(jīng)濟(jì)、實用，在雷達(dá)解釋軟件RAND7中可以根據(jù)圖像根據(jù)經(jīng)驗靈活使用，常被作為首選。

4 探地雷達(dá)檢測管片背后缺陷的實際應(yīng)用

某城際軌道項目盾構(gòu)隧道內(nèi)發(fā)現(xiàn)981.5環(huán)后55m左邊墻位置出現(xiàn)裂紋，根據(jù)現(xiàn)場情況布設(shè)三條縱向測線，測線位置分別為A測線（982環(huán)后60m左拱腰位置），B測線（1010.5環(huán)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(jìn)行綜合介電常數(shù)的標(biāo)定，在該管片隨機(jī)抽取三個位置，測量電磁波反射雙程時間，管片厚度經(jīng)測量和設(shè)計圖紙核對后定為55cm：

表2 綜合介電常數(shù)計算表

本次檢測雷達(dá)采集參數(shù)： 400MHz天線：采樣時窗：25ns；掃描速率：50掃描/s；掃描樣點數(shù)：512點/掃描；A/D轉(zhuǎn)換：16位。900MHz天線：采樣時窗：20ns；掃描速率：100掃描/s；掃描樣點數(shù)：512點/掃描；A/D轉(zhuǎn)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(dá)影像（A線）密實影像（對照）

通過對該城際軌道項目盾構(gòu)隧道內(nèi)盾構(gòu)管片的測量數(shù)據(jù)分析，得到表3結(jié)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(xiàn)強(qiáng)反射信號，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)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(xiàn)強(qiáng)反射信號，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)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(nèi)整體區(qū)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(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述可以看到在針對盾構(gòu)隧道背后脫空問題進(jìn)行探測過程中，有針對性的利用探地雷達(dá)系統(tǒng)，可以呈現(xiàn)出十分顯著的作用和效能，但是在具體的應(yīng)用和研究方面仍然是十分棘手的問題，當(dāng)前對于無損探測等相關(guān)研究，相對來說比較少，因為隧道的整體結(jié)構(gòu)比較特殊，相關(guān)注漿分布狀態(tài)不能被及時有效的發(fā)現(xiàn)，因此導(dǎo)致注漿實際分布往往有很大的不確定性，因此需要進(jìn)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(dá)的形式無損檢測盾構(gòu)隧道以此，更具有效的掌握盾構(gòu)隧道漿液分布情況，依次進(jìn)行相對應(yīng)的補(bǔ)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(xiàn)場探測等方法，深入研究探底雷達(dá)在拓空探測方面的運(yùn)行狀態(tài)，同時探究相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步表明，在探底雷達(dá)的運(yùn)行過程中所呈現(xiàn)出的探測結(jié)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(guān)數(shù)據(jù)。