隨著隧道工程建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的重視。在隧道施工中，常會(huì)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(wèn)題，影響整個(gè)施工環(huán)境的安全。因此，高效、準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)具有重要意義[1-2]，必須采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)襯砌厚度、二次襯砌混凝土強(qiáng)度、混凝土密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法如鉆芯取樣、超聲檢測(cè)等方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)效率低、精度差，無(wú)法及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土的質(zhì)量問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并開(kāi)發(fā)出了多種新型無(wú)損檢測(cè)方法[3-4]。但是當(dāng)前的隧道襯砌檢測(cè)方法中，當(dāng)隧道襯砌出現(xiàn)浸潤(rùn)狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法在成像過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)噪聲，影響裂縫的檢測(cè)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(cè)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。因此文章設(shè)計(jì)一種基于GPR 技術(shù)的高壓富水地質(zhì)隧道襯砌高效檢測(cè)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(duì) GPR 信號(hào)進(jìn)行時(shí)間域有限差分處理和小波去噪處理；最后對(duì)襯砌裂縫類型進(jìn)行劃分，利用像素距離計(jì)算實(shí)現(xiàn)裂縫尺寸的檢測(cè)。

1. 隧道襯砌檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于GPR 技術(shù)的隧道襯砌空洞模擬

在實(shí)際的隧道工程中，常常會(huì)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(duì)隧道襯砌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。GPR 技術(shù)是一種通過(guò)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(cè)技術(shù)[5]。其利用反射信號(hào)作為信息源，通過(guò)分析反射信號(hào)的特性來(lái)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(cè)量等特點(diǎn)。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(jì)模型中加入缺陷模型，利用電磁場(chǎng)理論來(lái)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(wèn)題[6]。對(duì)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(duì) GPR 信號(hào)進(jìn)行時(shí)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(qiáng)度；Dz為電位移矢量；εr為介電常數(shù)[7-8]。對(duì)于GPR技術(shù)來(lái)說(shuō)，其二維數(shù)值模擬主要有橫磁和橫電兩種模式。通過(guò)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(shí)間步長(zhǎng)；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(shí)，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率會(huì)大大降低[9]。通過(guò)上述計(jì)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(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲取到數(shù)值模擬結(jié)果。

1.2 檢測(cè)信號(hào)小波去噪

在探地雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中，由于目標(biāo)體的反射信號(hào)是一種非平穩(wěn)信號(hào)，其反射信號(hào)中包含了各種噪聲，而使得雷達(dá)探測(cè)信號(hào)處理的難度增大。如果對(duì)采集到的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ピ胩幚?，將有利于提高后續(xù)雷達(dá)探測(cè)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(shí)間-尺度分析方法。小波變換具有多分辨率分析、時(shí)頻局部化及自適應(yīng)等特點(diǎn)，能夠有效地抑制噪聲干擾，并能從含噪聲的信號(hào)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(duì)隧道襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了去噪處理。由于在實(shí)際的施工過(guò)程中，地質(zhì)雷達(dá)的信號(hào)真值是未知的，因此去噪過(guò)程中無(wú)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(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪分析。在采用小波算法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后，雷達(dá)探測(cè)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(cè)量

將GPR 技術(shù)應(yīng)用在隧道襯砌檢測(cè)中時(shí)，需先進(jìn)行裂縫分割和測(cè)量，準(zhǔn)確定位裂縫位置，從而得到準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)高壓富水地質(zhì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行 GPR 檢測(cè)前，需對(duì)隧道進(jìn)行注水試驗(yàn)。注水試驗(yàn)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(yàn)。一條是在左洞拱腰處設(shè)置一個(gè)注水試驗(yàn)室，另一條是在右洞拱腰處設(shè)置一個(gè)注水試驗(yàn)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(guò)注水試驗(yàn)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(yàn)后，采用 GPR 技術(shù)對(duì)左、右洞襯砌進(jìn)行檢測(cè)[14-15]，主要對(duì)襯砌裂縫的類型和尺寸進(jìn)行檢測(cè)。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(shí)定義為橫向裂縫，裂縫走向與隧道縱軸線夾角在 45°~90°時(shí)定義為縱向裂縫。在獲取到的信號(hào)圖像中，裂縫尺寸檢測(cè)示意如圖2所示。

圖 2裂縫尺寸檢測(cè)示意

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

得到的裂縫總長(zhǎng)度為

式中：n為像素總數(shù)。

裂縫寬度的計(jì)算方法與長(zhǎng)度計(jì)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(cè)方法的設(shè)計(jì)。

2. 方法性能測(cè)試

2.1 測(cè)試流程設(shè)計(jì)

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

圖 3測(cè)試用 GPR 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中， GPR 參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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

圖 4隧道工程實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意

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

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在信號(hào)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(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖 5去噪前后的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)圖5可以看出，對(duì)于含噪聲干擾的隧道襯砌結(jié)構(gòu)信號(hào)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(shí)，雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)中的均方差降低，能夠有效提高后續(xù)探測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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

圖 6不同檢測(cè)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(diǎn)比較多，一些細(xì)小的裂紋難以區(qū)分。在文章設(shè)計(jì)的方法下，裂縫更明顯且容易識(shí)別。根據(jù)不同方法的檢測(cè)圖像，對(duì)襯砌中的裂縫進(jìn)行識(shí)別和測(cè)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(yàn)證兩種檢測(cè)方法結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)各裂縫的尺寸進(jìn)行手動(dòng)測(cè)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(shí)別出裂縫類型。在寬度和長(zhǎng)度的測(cè)量精度對(duì)比過(guò)程中，將兩種檢測(cè)方法得到的檢測(cè)結(jié)果與研究區(qū)的裂縫實(shí)際參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)據(jù)的離散程度。其計(jì)算公式為

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

通過(guò)計(jì)算，得到傳統(tǒng)檢測(cè)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(jì)的基于 GPR 技術(shù)的隧道襯砌檢測(cè)方法結(jié)果更接近于實(shí)際的裂縫尺寸，結(jié)果的離散率小，離散程度低，與實(shí)際情況更加相符。

3. 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)隧道襯砌缺陷進(jìn)行分類，明確了不同類型缺陷的檢測(cè)方法和參數(shù)選擇。根據(jù)隧道襯砌缺陷的成因，對(duì) GPR 檢測(cè)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(shí)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(cè)，具有檢測(cè)精度高、效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，同時(shí)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(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)