1、1隧道衬砌质量地质雷达检测正演模拟摘要： 地质雷达是一种快速、无损、高效的隧道衬砌质量检测方法，利用正演模拟软件对隧道衬砌厚度、是否存在脱空区以及钢筋网、钢拱架进行了地质雷达检测正演模拟，总结出了其地质雷达检测响应规律，为在实际工程中的应用提供了判别依据。 Abstract： Ground penetrating radar is a fast， non-destructive and efficient tunnel lining quality detection method， using forward simulation software for GPR detection of
2、tunnel lining thickness， existence of void areas， reinforced and steel arch forward simulation， summed up the GPR response pattern， provide the basis of judgment for practical engineering. 关键词： 隧道衬砌质量；地质雷达检测；正演模拟；响应规律 Key words： tunnel lining quality；ground penetrating radar detection；forward simula
3、tion；response pattern 中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）35-0075-02 0 引言 目前我国已经成为世界上建设隧道工程最多、发展最快的国家，高速公路的修建在未来一段时间内仍是我国交通建设的重点。在隧道建设2中，需要采用一定的方法手段对隧道衬砌质量进行检测，使隧道工程的施工质量符合设计要求，确保隧道运营安全1。 隧道衬砌质量检测方法可以分为有损检测和无损检测两种，有损检测方法一般是采用钻孔的方法检测衬砌厚度和是否存在脱空区，这种方法比较直观，但是会对隧道衬砌造成损伤，检测速度缓慢，而且只能少量抽样检测，无法反应隧道衬砌的整体质
4、量情况；近年来人们开始将无损检测技术用于衬砌质量检测中，主要是利用声、光、电、磁等方法，对隧道衬砌的强度、密实度、均匀度和是否存在缺陷等进行检测。与有损检测方法相比，无损检测方法具有操作简单、费用低、不破坏衬砌结构等优点，其中地质雷达（ground penetrating radar，简称 GPR）是一种快速、无损、高效的检测方法，在工程领域得到了广泛的应用研究2-4。 探地雷达通过发射天线发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回的电磁波，电磁波在介质中传播时遇到电性差异分界面时会发生反射，地质雷达就是根据接收到电磁波的波形、振幅和频率等特征来推断介质的空间位置和形态。本文利用正演模拟软件对隧道
5、衬砌厚度、是否存在脱空区以及钢筋网、钢拱架进行地质雷达检测正演模拟5，研究其地质雷达检测响应规律，为在实际工程中的应用提供判别依据。 1 隧道衬砌常见质量缺陷 在隧道修建过程中，由于地质条件复杂、施工环境恶劣、施工工艺不规范等原因，隧道衬砌很容易发生质量缺陷。隧道施工时欠挖或者模板支撑不合理都会造成隧道衬砌厚度不足，会导致隧道产生较大的变3形，影响衬砌结构安全甚至会导致隧道发生坍塌、断裂等严重后果；隧道施工时超挖部分未全部回填密实或者模板支撑不稳固导致模板下沉量过大，会导致衬砌发生脱空，严重影响衬砌强度；施工单位可能偷工减料，在衬砌中使用的钢筋网、钢拱架用量不足，导致衬砌强度不符合设计标准。如
6、果这些缺陷不能被及时检查出来并加以治理，必然会留下隐患，严重影响隧道的运营安全。 2 地质雷达检测正演模拟算例 2.1 衬砌厚度检测 衬砌厚度检测模型如图 1 所示，模型 x 轴方向长 2.0m，z 轴方向深1.0m，网格划分为 200100 个，雷达天线主频 400MHz，从左到右探测扫描。模型中灰色区域为混凝土衬砌，相对介电常数为 9，电导率为110-3S/m；黄色区域为围岩，相对介电常数为 6，电导率为 110-3S/m；右侧黑色区域为脱空区，内部充满空气，相对介电常数为 1，电导率为 0S/m。 衬砌厚度检测模型 FDTD 正演结果如图 2 所示，根据电磁波反射信号同相轴可以确定围岩分
7、界面位置，进而对衬砌厚度进行检测，图中位置1 处衬砌厚度明显不足，推断为围岩欠挖区；图中位置 2 处出现抛物线状强反射信号，且位于围岩分界面附近，推断为衬砌超挖回填不密实的脱空区。 2.2 钢筋网、钢拱架检测 钢筋网、钢拱架检测模型如图 3 所示，模型 x 轴方向长 1.0m，z 轴方向深 0.5m，网格划分为 200100 个，雷达天线主频 400MHz，从左到4右探测扫描。模型中灰色区域为混凝土衬砌，相对介电常数为 9，电导率为 110-3S/m；中间红色点状物体为钢筋网，左右“工”字形物体为钢拱架，钢的相对介电常数为 300，电导率为 1108S/m。 钢筋网、钢拱架检测模型 FDTD
8、正演结果如图 4 所示，位置 1 处钢筋的电磁波反射信号呈现为规则的抛物线状信号，钢筋网的地质雷达响应特征表现为抛物线阵列，且抛物线间距相近；位置 2 处钢拱架的电磁波反射信号强于钢筋网，表现为顶部扁平的抛物线状反射信号。 3 结语 地质雷达是一种快速、无损、高效的隧道衬砌质量检测方法，本文利用正演模拟软件对隧道衬砌厚度、是否存在脱空区以及钢筋网、钢拱架进行了地质雷达检测正演模拟，总结出了相应的地质雷达检测响应规律如下：根据电磁波反射信号同相轴可以确定围岩分界面位置，进而对衬砌厚度进行检测，衬砌脱空区位于围岩分界面附近，且表现为强反射抛物线。钢筋的电磁波反射信号呈现为规则的抛物线状信号，钢筋网
9、的地质雷达响应特征表现为抛物线阵列，且抛物线间距相近；钢拱架的电磁波反射信号强于钢筋网，表现为顶部扁平的抛物线状反射信号。以上总结的地质雷达检测响应规律为隧道衬砌质量地质雷达检测在实际工程中的应用提供了判别依据。 参考文献： 1喻军，刘松玉，童立元.地质雷达在隧道初衬质量检测中的应用研究J.岩土力学，2008，29（增）：303-306. 2姚成华.隧道砼结构无损检测及应用研究D.长沙：中南大学，52004. 3吕凡.探地雷达在隧道质量检测中的应用研究D.西安：长安大学，2007. 4汪兴旺，李建华.探地雷达技术在隧道衬砌质量检测中的应用J.成都理工大学学报（自然科学版） ，2007，34（3）：354-358. 5杨峰，彭苏萍，刘杰，等.衬砌脱空雷达波数值模拟与定量解释J.铁道学报，2008，30（5）：92-96.
