分享：基于GPR技術(shù)的高壓富水地質(zhì)隧道襯砌檢測方法

隨著隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程質(zhì)量問題也越來越引起人們的重視。在隧道施工中，常會遇到高壓富水地質(zhì)，由于地質(zhì)條件及施工工藝的限制，隧道襯砌混凝土可能出現(xiàn)質(zhì)量問題，影響整個施工環(huán)境的安全。因此，高效、準(zhǔn)確且實時地進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測具有重要意義[1-2]，必須采用無損檢測技術(shù)對襯砌厚度、二次襯砌混凝土強度、混凝土密實度進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)檢測方法如鉆芯取樣、超聲檢測等方法費時費力，檢測效率低、精度差，無法及時有效地發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土的質(zhì)量問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對隧道襯砌結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并開發(fā)出了多種新型無損檢測方法[3-4]。但是當(dāng)前的隧道襯砌檢測方法中，當(dāng)隧道襯砌出現(xiàn)浸潤狀態(tài)時，傳統(tǒng)檢測方法在成像過程中會出現(xiàn)噪聲，影響裂縫的檢測結(jié)果。探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)作為一種先進(jìn)的地球物理勘探手段，在隧道襯砌質(zhì)量檢測方面具有較大的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。因此文章設(shè)計一種基于GPR 技術(shù)的高壓富水地質(zhì)隧道襯砌高效檢測方法。該方法利用 GPR 技術(shù)進(jìn)行隧道襯砌空洞正演模擬；利用麥克斯韋的離散方程形式，對 GPR 信號進(jìn)行時間域有限差分處理和小波去噪處理；最后對襯砌裂縫類型進(jìn)行劃分，利用像素距離計算實現(xiàn)裂縫尺寸的檢測。 

1.   隧道襯砌檢測方法設(shè)計

1.1   基于GPR 技術(shù)的隧道襯砌空洞模擬

在實際的隧道工程中，常常會存在襯砌缺陷，如襯砌厚度不夠、鋼筋混凝土分布不均勻、錨桿孔設(shè)置不合理等。為了準(zhǔn)確了解隧道襯砌缺陷的情況，可以利用GPR技術(shù)對隧道襯砌進(jìn)行無損檢測。GPR 技術(shù)是一種通過發(fā)射天線向地下目標(biāo)發(fā)送高頻電磁波，利用接收天線接收反射波的檢測技術(shù)[5]。其利用反射信號作為信息源，通過分析反射信號的特性來研究地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)體的分布，具有高速、高精度、大面積、非接觸式測量等特點。根據(jù)其技術(shù)原理，隧道襯砌缺陷模擬采用正演方法進(jìn)行。正演方法是在設(shè)計模型中加入缺陷模型，利用電磁場理論來模擬襯砌內(nèi)鋼筋混凝土的分布狀態(tài)。利用該方法進(jìn)行的圓形裂縫空洞正演模擬示意如圖1所示。 

圖  1  圓形裂縫空洞模擬示意

根據(jù)圖1可以看出，隧道襯砌內(nèi)存在鋼筋混凝土分布不均勻、空洞現(xiàn)象明顯、襯砌厚度不夠等問題[6]。對正演模擬所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用麥克斯韋的離散方程形式，對 GPR 信號進(jìn)行時間域有限差分處理，在宏觀尺度上，可以得到如下結(jié)果 

式中：Ez為電磁強度；Dz為電位移矢量；εr為介電常數(shù)[7-8]。對于GPR技術(shù)來說，其二維數(shù)值模擬主要有橫磁和橫電兩種模式。通過二階的精度中心差分，得到的有限差分表達(dá)式為 

式中：t為時間步長；ε0為真空介電常數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；Hy、Hx均為橫磁模式下的參數(shù)。 

當(dāng)隧道襯砌出現(xiàn)空洞現(xiàn)象時，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確率會大大降低[9]。通過上述計算與剖分，輸出橫磁模式下的參數(shù)，能夠建立施工狀態(tài)下襯砌中鋼筋、混凝土等介質(zhì)的模型，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲取到數(shù)值模擬結(jié)果。 

1.2   檢測信號小波去噪

在探地雷達(dá)探測過程中，由于目標(biāo)體的反射信號是一種非平穩(wěn)信號，其反射信號中包含了各種噪聲，而使得雷達(dá)探測信號處理的難度增大。如果對采集到的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ピ胩幚恚瑢⒂欣谔岣吆罄m(xù)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[10-12]。去噪算法有很多種，最常用的就是小波分析方法，小波分析是一種時間-尺度分析方法。小波變換具有多分辨率分析、時頻局部化及自適應(yīng)等特點，能夠有效地抑制噪聲干擾，并能從含噪聲的信號中提取出有用信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)。文章采用小波去噪算法對隧道襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測信號進(jìn)行了去噪處理。由于在實際的施工過程中，地質(zhì)雷達(dá)的信號真值是未知的，因此去噪過程中無法根據(jù)信噪比或平滑度等單一指標(biāo)進(jìn)行層次分解。因此，選擇合適的小波基函數(shù)對檢測信號進(jìn)行去噪分析。在采用小波算法對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后，雷達(dá)探測數(shù)據(jù)中的噪聲被很好地濾除了，能夠有效提高后續(xù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。 

1.3   隧道襯砌裂縫分割與測量

將GPR 技術(shù)應(yīng)用在隧道襯砌檢測中時，需先進(jìn)行裂縫分割和測量，準(zhǔn)確定位裂縫位置，從而得到準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)。針對高壓富水地質(zhì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行 GPR 檢測前，需對隧道進(jìn)行注水試驗。注水試驗主要是為了模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)在高壓富水環(huán)境下的水力學(xué)特性，以了解襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水力連通通道[13]。文章選取了兩條高壓富水隧道進(jìn)行試驗。一條是在左洞拱腰處設(shè)置一個注水試驗室，另一條是在右洞拱腰處設(shè)置一個注水試驗室。左洞襯砌采用 C50 混凝土澆筑而成，厚度為 16 m；左洞拱腰采用 C25 混凝土澆筑而成，厚度為 15 m。右洞襯砌采用 C20 混凝土澆筑而成，厚度為 20 m。通過注水試驗發(fā)現(xiàn)，由于左洞與右洞圍巖存在一定的差異，右洞圍巖中存在一定的滲流通道；左洞襯砌中存在明顯的裂縫分布，裂縫主要集中在左洞圍巖一側(cè)。完成注水試驗后，采用 GPR 技術(shù)對左、右洞襯砌進(jìn)行檢測[14-15]，主要對襯砌裂縫的類型和尺寸進(jìn)行檢測。襯砌裂縫主要分為橫向裂縫和縱向裂縫兩種。其判定標(biāo)準(zhǔn)為，裂縫走向與隧道縱軸線夾角在 0°~45°時定義為橫向裂縫，裂縫走向與隧道縱軸線夾角在 45°~90°時定義為縱向裂縫。在獲取到的信號圖像中，裂縫尺寸檢測示意如圖2所示。 

圖  2  裂縫尺寸檢測示意

圖2中，將骨架曲線長度作為裂縫長度，設(shè)曲線上的相鄰像素點 A 和 B 的坐標(biāo)為 (xk， yk)、（xk+1， yk+1），其距離計算公式為 

得到的裂縫總長度為 

式中：n為像素總數(shù)。 

裂縫寬度的計算方法與長度計算相似。至此完成基于 GPR 技術(shù)的高壓富水地質(zhì)隧道襯砌檢測方法的設(shè)計。 

2.   方法性能測試

2.1   測試流程設(shè)計

為了保證文章設(shè)計方法的應(yīng)用有效性，筆者進(jìn)行了性能測試。測試用 LTD-1200型 GPR 設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。 

圖  3  測試用 GPR 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

在實際的測試過程中， GPR 參數(shù)設(shè)置如表1所示。 

在以上的測試設(shè)備參數(shù)下，選擇某隧道工程進(jìn)行實地勘測。沿著隧道工程縱向共布置 3 條測線，每隔 10 m 設(shè)置一個測試斷面，布設(shè)的檢測點位置為拱頂和兩側(cè)。測試過程中的監(jiān)測點布設(shè)情況如圖4所示。 

圖  4  隧道工程實際監(jiān)測點布設(shè)示意

根據(jù)GPR的檢測情況，選擇合理的檢測深度，對于隧道內(nèi)的襯砌進(jìn)行裂縫檢測。為了對比文章方法的效果，選擇基于圖像的隧道襯砌傳統(tǒng)檢測方法共同對該路段進(jìn)行檢測，并對比結(jié)果。 

2.2   試驗結(jié)果對比與分析

在信號中加入高斯噪聲，利用文章方法的小波基函數(shù)，采集包括均方差、圖像信噪比、圖像平滑度等評價指標(biāo)，測試結(jié)果如圖5所示。 

圖  5  去噪前后的評價指標(biāo)對比

通過圖5可以看出，對于含噪聲干擾的隧道襯砌結(jié)構(gòu)信號進(jìn)行去噪處理后，其信噪比和平滑度得到了較大幅度的提高，很好地保留了原始數(shù)據(jù)中的有用信息。同時，雷達(dá)探測數(shù)據(jù)中的均方差降低，能夠有效提高后續(xù)探測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。 

在相同的測試環(huán)境下，得到不同方法的襯砌裂縫檢測圖像如圖6所示。 

圖  6  不同檢測方法的成像結(jié)果

從圖6可以看出，傳統(tǒng)方法得到的圖像中，噪聲點比較多，一些細(xì)小的裂紋難以區(qū)分。在文章設(shè)計的方法下，裂縫更明顯且容易識別。根據(jù)不同方法的檢測圖像，對襯砌中的裂縫進(jìn)行識別和測量，傳統(tǒng)方法和文章方法得到的結(jié)果如表2，3所示。 

為了驗證兩種檢測方法結(jié)果的準(zhǔn)確性，對各裂縫的尺寸進(jìn)行手動測量，得到的結(jié)果如表4所示。 

從以上表格中可以看出，文章方法和傳統(tǒng)方法都能夠有效識別出裂縫類型。在寬度和長度的測量精度對比過程中，將兩種檢測方法得到的檢測結(jié)果與研究區(qū)的裂縫實際參數(shù)進(jìn)行對比，分析數(shù)據(jù)的離散程度。其計算公式為 

式中：ai為檢測方法得到的裂縫數(shù)據(jù)；a0為真實的裂縫數(shù)據(jù)；n為裂縫的數(shù)量。 

通過計算，得到傳統(tǒng)檢測方法的結(jié)果離散率為 0.83，文章方法結(jié)果的離散率為 0.11。即，文章設(shè)計的基于 GPR 技術(shù)的隧道襯砌檢測方法結(jié)果更接近于實際的裂縫尺寸，結(jié)果的離散率小，離散程度低，與實際情況更加相符。 

3.   結(jié)語

文章通過對隧道襯砌缺陷進(jìn)行分類，明確了不同類型缺陷的檢測方法和參數(shù)選擇。根據(jù)隧道襯砌缺陷的成因，對 GPR 檢測技術(shù)在高壓富水地質(zhì)條件下的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。工程實際應(yīng)用表明，GPR 技術(shù)能夠?qū)Ω邏焊凰刭|(zhì)條件下的隧道襯砌缺陷進(jìn)行高效檢測，具有檢測精度高、效率高、成本低、操作簡單等特點，同時能為隧道襯砌施工質(zhì)量控制提供科學(xué)的依據(jù)。

文章來源——材料與測試網(wǎng)