隧道衬砌质量地质雷达检测正演模拟.docVIP

PAGE  PAGE 5 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 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 simulation；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。①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；②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200×100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1×10-3S/m；黄色区域为围岩，相对介电常数为6，电导率为1×10-3S/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.