中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
地鐵在緩解城市交通壓力中發(fā)揮著重要的作用，但受隧道設計、施工及運營過程中的一些因素影響，礦山法地鐵隧道會出現(xiàn)不同程度的支護結構病害，影響隧道的安全運營和使用壽命［1 － 3］。探地雷達技術作為一種新的勘探方法，目前廣泛應用于地球物理探測方面。利用電磁波在介質傳播過程中強度、路徑以及波形等的變化可對礦山法地鐵隧道支護結構內部進行判斷，具有效率高、樣本豐富以及無破壞性等特點［4 － 5］。
在隧道支護結構病害檢測和識別方面，許多學者進行了相關研究。呂高等［6］對公路隧道支護結構缺陷進行FDTD 正演分析，比較不同填充材料缺陷區(qū)的探測成像效果; 張明臣等［7］總結新疆寒區(qū)隧道支護結構缺陷特點; 張帆等［8］對隧道支護結構層位特征識別進行模擬研究; 顏培巖等［9］采用探地雷達技術研究暗挖隧道支護結構中鋼筋分布特征; 舒志樂等［10］正演模擬隧道支護結構內的方形空洞; 杜良等［11］對隧道支護結構中基本空洞形狀進行研究，并建立物理模型進行驗證。已有研究多側重于一種病害，且對三角形、弧形等空洞、空洞或脫空充水以及鋼拱架下存在病害的研究較少。本文在前人研究的基礎上，依托青島地鐵礦山法隧道支護結構病害檢測實踐，對礦山法隧道支護結構中常見病害進行分析。
1 正演模擬的時域有限差分法理論基礎
基于Maxwell 方程的時域有限差分法( FDTD) 具有廣泛的適用性、通用性、計算時間短和空間占用小等特點，是一種主要的電磁場模擬方法［12］。Maxwell 方程組概括了宏觀電磁場的基本規(guī)律，是支配宏觀電磁現(xiàn)象的一組基本方程。FDTD 方法是由微分形式的Maxwell 旋度方程出發(fā)進行差分離散得到的［13］，運用空間離散方式，把帶有時間變量的Maxwell 旋度方程轉化為一組差分方程，并在時間軸上逐步推進求解空間電磁場，然后由電磁問題的初始值及邊界條件逐步推進求得以后各時刻的空間電磁場分布［14］。
2 隧道支護結構病害雷達探測模型試驗
2． 1 模型參數(shù)
根據(jù)工程實際分別建立模型，使用雷達的子波主頻為900 MHz，激勵源采用Ｒicker 子波源，空間網(wǎng)格步長為2． 5 mm × 2． 5 mm，模型具體參數(shù)見表1。
表1 模型參數(shù)
2． 2 支護結構常見形狀空洞圖像特征
受隧道施工工藝的影響，在初期支護和二次襯砌結構中經(jīng)常出現(xiàn)近似球形或長方體形的空洞，在二次襯砌模板與模板交界處，也經(jīng)常出現(xiàn)近似三棱錐形空洞。空洞處支護結構受力不均，易發(fā)生開裂、充水、掉塊和整體失穩(wěn)等災害; 因此，空洞是隧道建設質量和運營維護檢測中重點探測的病害之一。
建立模型模擬隧道支護結構中常見的空洞形狀，模型大小為2． 7 m × 0． 65 m，由混凝土和空氣2 種介質組成，不同形狀空洞病害模型及其正演掃描結果見圖1?？梢钥闯? 1) 圓形空洞雷達圖像呈明顯的雙曲線形狀，空洞的上下邊界處出現(xiàn)2 個明顯的反射波峰，且能量衰減較快; 2) 下三角形空洞的雷達圖像也表現(xiàn)為雙曲線形狀，但并不完整，在右側出現(xiàn)缺失，空洞內部反射波較多; 3) 弧形空洞雷達圖像與下三角形空洞雷達圖像相似，但線型比較完整; 4) 上三角形與下三角形的雷達圖像有較大的差異，主要因為上三角形斜邊為第1 反射界面，當電磁波傳播至此界面時發(fā)生第1 次反射，反射波能量較強，且由于傾斜的原因，使得每一道掃描的電磁波傳播至界面的時間近似相等，在傾斜上形成近似平行的同相軸，即在水平距離2． 1 ～2． 3 m 形成了傾斜平行的同相軸，但偏離模型中上三角形空洞的位置( 水平距離為2． 3 ～ 2． 5 m) 。三角形上頂點位置出現(xiàn)雙曲線圖像，其位置與模型相對應。左側頂點兩側也出現(xiàn)了一定程度的雙曲線圖像。從正演掃描圖中還可以看到，同相軸加強的位置一般為空洞缺陷的開始位置。
圖1 不同形狀空洞病害模型及其正演掃描圖
2． 3 支護結構空洞含水及在鋼筋影響下的圖像特征
隧道支護結構空洞很多是充水的，在工程檢測中，準確區(qū)分含水空洞和不含水空洞有著很重要的作用。建立包含6 個矩形空洞的模型，左側2 個模擬不同大小的空洞，中間2 個模擬半充水和完全充水空洞，右側2 個模擬不同鋼筋網(wǎng)格間距下的空洞。左側第1 個空洞大小為0． 15 m × 0． 05 m，其余空洞大小為0． 15 m ×0． 1 m。支護結構空洞充水模型及其正演掃描結果見圖2。
圖2 支護結構空洞充水模型及其正演掃描圖
從圖2 可以看出: 1) 左側2 個空洞處存在明顯的反射波，其雷達圖像與圖1( b) 弧形空洞雷達圖像相似，都表現(xiàn)為較明顯的雙曲線形狀，且隨著空洞厚度的增加，高頻部分出現(xiàn)了分層情況，表明上下界面的反射波逐漸分開; 2) 半充水空洞雷達圖像雙曲線頂點位置下部反射波強度強于上部的反射波，說明空洞下部出現(xiàn)了一個介電常數(shù)差異更大的反射界面，即為模型中的水－ 空氣反射界面，由于垂直距離較近，反射波的子波相互疊加，不能確定充水量大小; 3) 完全充水空洞雷達圖像上不僅在洞頂出現(xiàn)了反射波，而且在洞底下方也出現(xiàn)了明顯的雜亂反射波，這是因為水的介電常數(shù)為81，其電磁波傳播速度為0． 033 m/ns，小于空氣中的電磁波傳播速度，天線接收反射波和折射波的走時較大; 4) 分析右側2 個不同鋼筋網(wǎng)格間距下空洞的雷達圖像可以得知，鋼筋網(wǎng)的雷達圖像呈明顯的弧形，鋼筋的間距越小，圖像排列越緊湊，也越明顯。此外，鋼筋網(wǎng)會對下方空洞的分辨造成一定影響，鋼筋間距越減小，這種影響越強烈。在實際探測時，往往需要采取一些方法( 如預測反褶積法、一致性消除法等) 來消除鋼筋的多次波影響。
2． 4 不同填充介質脫空圖像特征
連續(xù)的空洞會形成脫空，脫空病害主要出現(xiàn)在支護結構層與層之間，而且脫空層里面的填充體并不完全為空氣，會出現(xiàn)泥土甚至水等介質，直接影響支護結構的穩(wěn)定性［2］。建立模型模擬二次襯砌和初期支護之間的脫空，設置3 個連續(xù)的含不同介質的脫空層，厚度均為10 cm，其模型及正演掃描結果見圖3。從雷達圖像上可明顯看到脫空層的位置，砂土脫空層位置處出現(xiàn)明顯的水平反射波圖像。由于水對電磁波的強烈吸收作用，含水脫空層上部位置處的反射波能量比其他填充體的反射波能量小，但在含水脫空層的下部出現(xiàn)多次反射波。由于空氣的介電常數(shù)與砂土的基本相同，因此其雷達圖像與砂土脫空層雷達圖像基本類似。
圖3 不同填充介質脫空模型及其正演掃描圖
2． 5 鋼格柵拱架下空洞圖像特征
鋼格柵拱架通常由4 根花紋鋼焊接而成，是初期支護中主要的受力部分，但在混凝土噴射過程中，由于受到鋼筋的阻力及混凝土的流動性影響，易在拱架后方出現(xiàn)空洞。因此，建立模型模擬初期支護中的鋼格柵拱架以及其后方的矩形、三角形空洞。模型大小為2． 5 m × 0． 5 m，設置3 個鋼拱架，拱架之間間距為75 cm。組成鋼拱架的鋼筋直徑為22 mm，間距為15 cm。前2 個拱架下面分別設置矩形空洞和三角形空洞; 第3 個不設空洞，作為對照。鋼格柵拱架下方空洞模型及其正演掃描結果見圖4。可以看出: 鋼筋檢測圖像為典型的雙曲線形狀，矩形空洞處出現(xiàn)了同相軸水平平行的反射波，且兩側有雙曲線圖像; 三角形空洞處出現(xiàn)了同相軸傾斜平行的反射波圖像。雖然2 個空洞的反射圖像受到鋼筋的干擾，但仍然在掃描圖中很具特征地顯現(xiàn)出來。
圖4 鋼格柵拱架下方空洞模型及其正演掃描圖
2． 6 H 型鋼架后方空洞圖像特征
當隧道開挖遇到V 級圍巖，且圍巖位于擠壓強烈的斷裂帶內時，采用H 型鋼架進行初期支護效果較好，同時懸掛鋼筋網(wǎng)，H 型鋼架間隔50 ～ 100 cm。建立模型的大小為2． 2 m × 0． 6 m，2 個H 型鋼架間距為80 cm，鋼架后方為間距20 cm 的鋼筋網(wǎng)，由于掛網(wǎng)鋼筋的阻力，在鋼架之間形成一定大小的噴射混凝土空洞，形狀為弧形，其模型及其正演掃描結果見圖5?？梢钥闯? H 型鋼架的圖像表現(xiàn)為雙曲線形狀，頂端出現(xiàn)平直的反射波，下方反射波振蕩疊加; 鋼筋網(wǎng)表現(xiàn)為典型的雙曲線圖像，間隔為20cm，與模型預設值相同; 弧形空洞位置處圖像與圖1( b) 中弧形空洞圖像相似，但由于鋼筋反射波的屏蔽作用，空洞底部無法準確識別。
圖5 H 型鋼架下方空洞模型及其正演掃描圖
3 工程實例
在對礦山法地鐵隧道支護結構病害檢測FDTD 正演分析的基礎上，結合青島地鐵3 號線某區(qū)間的檢測實例，分析實際工程中的支護結構病害雷達檢測圖像。青島地鐵3 號線是青島第1 條地鐵線路，西起青島火車站，終到青島北站，是連接青島主城區(qū)的主要交通干線，總長約24. 8 km，有車站22 座。為了保證隧道的施工安全以及質量，在施工過程中采用探地雷達對支護結構質量進行檢測。采用美國GSSI 公司研制的SIＲ － 30E 型探地雷達主機，儀器為新一代雙通道、高分辨率且體積輕便的專業(yè)型地質透視儀，天線為900MHz 的單體屏蔽天線，探測深度可達0． 7 m，可以滿足檢測的需求。
3． 1 儀器參數(shù)設定
結合現(xiàn)場實際情況對儀器參數(shù)進行設置，工作中選用的技術參數(shù)如下: 1) 天線頻率，中心頻率為900MHz 的收發(fā)一體式屏蔽天線; 2) 工作方式，連續(xù)剖面法; 3) 測量方式，測量輪長度測量; 4) 采樣點數(shù)，512;5) 數(shù)據(jù)方式，波動成像、灰度顯示。
3． 2 數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，使用GSSI 公司提供的雷達圖像專業(yè)處理軟件Ｒadan7 進行處理和分析。Ｒadan7 軟件處理數(shù)據(jù)的主要流程為: 原始數(shù)據(jù)—調整測量方向—核定測量標記—切除廢段記錄—水平距離均衡—0 點校正—數(shù)字濾波—偏移處理—能量均衡—文件標注—時深轉換—輸出雷達深度剖面圖。在實際處理數(shù)據(jù)的過程中，并不是嚴格按照上述步驟進行，而宜根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)進行選擇。
3． 3 檢測結果分析
選取一些具有代表性的檢測圖像進行分析。圖6( a) 為初期支護質量較好的雷達探測圖像，雷達剖面顯示地層反射波能量均勻，無超挖、欠挖和空洞形成的異常反射波，混凝土與圍巖密實性好，無脫空現(xiàn)象; 圖6( b) 為典型的初期支護不密實雷達探測圖像，反射波同相軸發(fā)生畸變，呈現(xiàn)多個細密的弧形，表示混凝土局部不均勻變化、密實性較差; 圖6( c) 為典型的空洞缺陷圖像，根據(jù)上文空洞模型試驗結果可知，此處為圓形空洞或者較小的矩形空洞，且空洞中沒有充水; 圖6( d) 為鋼格柵結構雷達圖像，表現(xiàn)為典型的雙曲線反射圖像，兩兩一組，個別鋼格柵間距較大或較小，但整體均勻，符合設計要求。
圖6 典型雷達檢測圖像
4 結論與建議
在空洞病害的模型試驗中，同相軸加強的位置點一般為空洞缺陷的開始位置。空洞探地雷達圖像基本呈雙曲線形，其中: 矩形空洞圖像中存在水平形狀波形; 三角形空洞表現(xiàn)為連續(xù)傾斜同相軸波形特征; 充水空洞以及脫空層中介質含水時，由于水對電磁波的吸收作用會產(chǎn)生能量較弱的反射波，但是在掃描圖下方會出現(xiàn)反射波的多次振蕩; 當空洞位于鋼格柵拱架以及H 型鋼架下方時，受鋼結構的屏蔽影響，會影響空洞形態(tài)和大小的判定，因此應盡量在二次襯砌施工前對初期支護質量進行檢測。在探地雷達數(shù)據(jù)分析方面，建議今后結合數(shù)值模擬的圖譜特征，編寫數(shù)據(jù)處理程序，實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的反演，得到支護結構內部的圖像，而不僅僅是通過圖像特征去判斷支護結構的完整情況，從而更好地指導隧道支護結構質量評估。
