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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(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的一些因素影響，礦山法地鐵隧道會(huì)出現(xiàn)不同程度的支護(hù)結(jié)構(gòu)病害，影響隧道的安全運(yùn)營(yíng)和使用壽命［1 － 3］。探地雷達(dá)技術(shù)作為一種新的勘探方法，目前廣泛應(yīng)用于地球物理探測(cè)方面。利用電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中強(qiáng)度、路徑以及波形等的變化可對(duì)礦山法地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行判斷，具有效率高、樣本豐富以及無(wú)破壞性等特點(diǎn)［4 － 5］。

在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)和識(shí)別方面，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。呂高等［6］對(duì)公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行FDTD 正演分析，比較不同填充材料缺陷區(qū)的探測(cè)成像效果; 張明臣等［7］總結(jié)新疆寒區(qū)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷特點(diǎn); 張帆等［8］對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)層位特征識(shí)別進(jìn)行模擬研究; 顏培巖等［9］采用探地雷達(dá)技術(shù)研究暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼筋分布特征; 舒志樂(lè)等［10］正演模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的方形空洞; 杜良等［11］對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中基本空洞形狀進(jìn)行研究，并建立物理模型進(jìn)行驗(yàn)證。已有研究多側(cè)重于一種病害，且對(duì)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(chǔ)上，依托青島地鐵礦山法隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)實(shí)踐，對(duì)礦山法隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)病害進(jìn)行分析。

1 正演模擬的時(shí)域有限差分法理論基礎(chǔ)

基于Maxwell 方程的時(shí)域有限差分法( FDTD) 具有廣泛的適用性、通用性、計(jì)算時(shí)間短和空間占用小等特點(diǎn)，是一種主要的電磁場(chǎng)模擬方法［12］。Maxwell 方程組概括了宏觀電磁場(chǎng)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(jìn)行差分離散得到的［13］，運(yùn)用空間離散方式，把帶有時(shí)間變量的Maxwell 旋度方程轉(zhuǎn)化為一組差分方程，并在時(shí)間軸上逐步推進(jìn)求解空間電磁場(chǎng)，然后由電磁問(wèn)題的初始值及邊界條件逐步推進(jìn)求得以后各時(shí)刻的空間電磁場(chǎng)分布［14］。

2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)病害雷達(dá)探測(cè)模型試驗(yàn)

2． 1 模型參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際分別建立模型，使用雷達(dá)的子波主頻為900 MHz，激勵(lì)源采用Ｒicker 子波源，空間網(wǎng)格步長(zhǎng)為2． 5 mm × 2． 5 mm，模型具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)

2． 2 支護(hù)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)形狀空洞圖像特征

受隧道施工工藝的影響，在初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)近似球形或長(zhǎng)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?？斩刺幹ёo(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，易發(fā)生開(kāi)裂、充水、掉塊和整體失穩(wěn)等災(zāi)害; 因此，空洞是隧道建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)維護(hù)檢測(cè)中重點(diǎn)探測(cè)的病害之一。

建立模型模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)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(zhì)組成，不同形狀空洞病害模型及其正演掃描結(jié)果見(jiàn)圖1。可以看出: 1) 圓形空洞雷達(dá)圖像呈明顯的雙曲線形狀，空洞的上下邊界處出現(xiàn)2 個(gè)明顯的反射波峰，且能量衰減較快; 2) 下三角形空洞的雷達(dá)圖像也表現(xiàn)為雙曲線形狀，但并不完整，在右側(cè)出現(xiàn)缺失，空洞內(nèi)部反射波較多; 3) 弧形空洞雷達(dá)圖像與下三角形空洞雷達(dá)圖像相似，但線型比較完整; 4) 上三角形與下三角形的雷達(dá)圖像有較大的差異，主要因?yàn)樯先切涡边厼榈? 反射界面，當(dāng)電磁波傳播至此界面時(shí)發(fā)生第1 次反射，反射波能量較強(qiáng)，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(shí)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(diǎn)位置出現(xiàn)雙曲線圖像，其位置與模型相對(duì)應(yīng)。左側(cè)頂點(diǎn)兩側(cè)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(qiáng)的位置一般為空洞缺陷的開(kāi)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(hù)結(jié)構(gòu)空洞含水及在鋼筋影響下的圖像特征

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)空洞很多是充水的，在工程檢測(cè)中，準(zhǔn)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(gè)矩形空洞的模型，左側(cè)2 個(gè)模擬不同大小的空洞，中間2 個(gè)模擬半充水和完全充水空洞，右側(cè)2 個(gè)模擬不同鋼筋網(wǎng)格間距下的空洞。左側(cè)第1 個(gè)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(hù)結(jié)構(gòu)空洞充水模型及其正演掃描結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)空洞充水模型及其正演掃描圖

從圖2 可以看出: 1) 左側(cè)2 個(gè)空洞處存在明顯的反射波，其雷達(dá)圖像與圖1( b) 弧形空洞雷達(dá)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(kāi); 2) 半充水空洞雷達(dá)圖像雙曲線頂點(diǎn)位置下部反射波強(qiáng)度強(qiáng)于上部的反射波，說(shuō)明空洞下部出現(xiàn)了一個(gè)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(dá)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?yàn)樗慕殡姵?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(shí)較大; 4) 分析右側(cè)2 個(gè)不同鋼筋網(wǎng)格間距下空洞的雷達(dá)圖像可以得知，鋼筋網(wǎng)的雷達(dá)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(huì)對(duì)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(qiáng)烈。在實(shí)際探測(cè)時(shí)，往往需要采取一些方法( 如預(yù)測(cè)反褶積法、一致性消除法等) 來(lái)消除鋼筋的多次波影響。

2． 4 不同填充介質(zhì)脫空?qǐng)D像特征

連續(xù)的空洞會(huì)形成脫空，脫空病害主要出現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)層與層之間，而且脫空層里面的填充體并不完全為空氣，會(huì)出現(xiàn)泥土甚至水等介質(zhì)，直接影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［2］。建立模型模擬二次襯砌和初期支護(hù)之間的脫空，設(shè)置3 個(gè)連續(xù)的含不同介質(zhì)的脫空層，厚度均為10 cm，其模型及正演掃描結(jié)果見(jiàn)圖3。從雷達(dá)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(duì)電磁波的強(qiáng)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(dá)圖像與砂土脫空層雷達(dá)圖像基本類(lèi)似。

圖3 不同填充介質(zhì)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(hù)中主要的受力部分，但在混凝土噴射過(guò)程中，由于受到鋼筋的阻力及混凝土的流動(dòng)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(hù)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(shè)置3 個(gè)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(gè)拱架下面分別設(shè)置矩形空洞和三角形空洞; 第3 個(gè)不設(shè)空洞，作為對(duì)照。鋼格柵拱架下方空洞模型及其正演掃描結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯? 鋼筋檢測(cè)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(cè)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(gè)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(lái)。

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(dāng)隧道開(kāi)挖遇到V 級(jí)圍巖，且圍巖位于擠壓強(qiáng)烈的斷裂帶內(nèi)時(shí)，采用H 型鋼架進(jìn)行初期支護(hù)效果較好，同時(shí)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(gè)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(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出: 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(yù)設(shè)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(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別。

圖5 H 型鋼架下方空洞模型及其正演掃描圖

3 工程實(shí)例

在對(duì)礦山法地鐵隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)FDTD 正演分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合青島地鐵3 號(hào)線某區(qū)間的檢測(cè)實(shí)例，分析實(shí)際工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)病害雷達(dá)檢測(cè)圖像。青島地鐵3 號(hào)線是青島第1 條地鐵線路，西起青島火車(chē)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(zhǎng)約24. 8 km，有車(chē)站22 座。為了保證隧道的施工安全以及質(zhì)量，在施工過(guò)程中采用探地雷達(dá)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。采用美國(guó)GSSI 公司研制的SIＲ － 30E 型探地雷達(dá)主機(jī)，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(zhì)透視儀，天線為900MHz 的單體屏蔽天線，探測(cè)深度可達(dá)0． 7 m，可以滿足檢測(cè)的需求。

3． 1 儀器參數(shù)設(shè)定

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，工作中選用的技術(shù)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(cè)量方式，測(cè)量輪長(zhǎng)度測(cè)量; 4) 采樣點(diǎn)數(shù)，512;5) 數(shù)據(jù)方式，波動(dòng)成像、灰度顯示。

3． 2 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后，使用GSSI 公司提供的雷達(dá)圖像專業(yè)處理軟件Ｒadan7 進(jìn)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(diào)整測(cè)量方向—核定測(cè)量標(biāo)記—切除廢段記錄—水平距離均衡—0 點(diǎn)校正—數(shù)字濾波—偏移處理—能量均衡—文件標(biāo)注—時(shí)深轉(zhuǎn)換—輸出雷達(dá)深度剖面圖。在實(shí)際處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，并不是嚴(yán)格按照上述步驟進(jìn)行，而宜根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

3． 3 檢測(cè)結(jié)果分析

選取一些具有代表性的檢測(cè)圖像進(jìn)行分析。圖6( a) 為初期支護(hù)質(zhì)量較好的雷達(dá)探測(cè)圖像，雷達(dá)剖面顯示地層反射波能量均勻，無(wú)超挖、欠挖和空洞形成的異常反射波，混凝土與圍巖密實(shí)性好，無(wú)脫空現(xiàn)象; 圖6( b) 為典型的初期支護(hù)不密實(shí)雷達(dá)探測(cè)圖像，反射波同相軸發(fā)生畸變，呈現(xiàn)多個(gè)細(xì)密的弧形，表示混凝土局部不均勻變化、密實(shí)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(yàn)結(jié)果可知，此處為圓形空洞或者較小的矩形空洞，且空洞中沒(méi)有充水; 圖6( d) 為鋼格柵結(jié)構(gòu)雷達(dá)圖像，表現(xiàn)為典型的雙曲線反射圖像，兩兩一組，個(gè)別鋼格柵間距較大或較小，但整體均勻，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 典型雷達(dá)檢測(cè)圖像

4 結(jié)論與建議

在空洞病害的模型試驗(yàn)中，同相軸加強(qiáng)的位置點(diǎn)一般為空洞缺陷的開(kāi)始位置。空洞探地雷達(dá)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(zhì)含水時(shí)，由于水對(duì)電磁波的吸收作用會(huì)產(chǎn)生能量較弱的反射波，但是在掃描圖下方會(huì)出現(xiàn)反射波的多次振蕩; 當(dāng)空洞位于鋼格柵拱架以及H 型鋼架下方時(shí)，受鋼結(jié)構(gòu)的屏蔽影響，會(huì)影響空洞形態(tài)和大小的判定，因此應(yīng)盡量在二次襯砌施工前對(duì)初期支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在探地雷達(dá)數(shù)據(jù)分析方面，建議今后結(jié)合數(shù)值模擬的圖譜特征，編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)的反演，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的圖像，而不僅僅是通過(guò)圖像特征去判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整情況，從而更好地指導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估。