隨著隧道工程建設的不斷發(fā)展，隧道工程質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，由于地質條件及施工工藝的限制，隧道襯砌混凝土可能出現(xiàn)質量問題，影響整個施工環(huán)境的安全。因此，高效、準確且實時地進行隧道襯砌質量檢測具有重要意義[1-2]，必須采用無損檢測技術對襯砌厚度、二次襯砌混凝土強度、混凝土密實度進行檢測。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)襯砌混凝土的質量問題。近年來，國內外學者對隧道襯砌結構無損檢測技術進行了廣泛的研究，并開發(fā)出了多種新型無損檢測方法[3-4]。但是當前的隧道襯砌檢測方法中，當隧道襯砌出現(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，影響裂縫的檢測結果。探地雷達（GPR）技術作為一種先進的地球物理勘探手段，在隧道襯砌質量檢測方面具有較大的優(yōu)勢和應用潛力。因此文章設計一種基于GPR 技術的高壓富水地質隧道襯砌高效檢測方法。該方法利用 GPR 技術進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計

1.1   基于GPR 技術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、錨桿孔設置不合理等。為了準確了解隧道襯砌缺陷的情況，可以利用GPR技術對隧道襯砌進行無損檢測。GPR 技術是一種通過發(fā)射天線向地下目標發(fā)送高頻電磁波，利用接收天線接收反射波的檢測技術[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結構和地質體的分布，具有高速、高精度、大面積、非接觸式測量等特點。根據(jù)其技術原理，隧道襯砌缺陷模擬采用正演方法進行。正演方法是在設計模型中加入缺陷模型，利用電磁場理論來模擬襯砌內鋼筋混凝土的分布狀態(tài)。利用該方法進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]。對正演模擬所產生的數(shù)據(jù)進行分析，利用麥克斯韋的離散方程形式，對 GPR 信號進行時間域有限差分處理，在宏觀尺度上，可以得到如下結果 

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為真空磁導率；Hy、Hx均為橫磁模式下的參數(shù)。 

當隧道襯砌出現(xiàn)空洞現(xiàn)象時，檢測結果的準確率會大大降低[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、混凝土等介質的模型，并通過數(shù)據(jù)轉換，獲取到數(shù)值模擬結果。 

1.2   檢測信號小波去噪

在探地雷達探測過程中，由于目標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，而使得雷達探測信號處理的難度增大。如果對采集到的雷達探測數(shù)據(jù)進行適當?shù)娜ピ胩幚恚瑢⒂欣谔岣吆罄m(xù)雷達探測數(shù)據(jù)分析結果的準確性[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。文章采用小波去噪算法對隧道襯砌內部結構檢測信號進行了去噪處理。由于在實際的施工過程中，地質雷達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進行層次分解。因此，選擇合適的小波基函數(shù)對檢測信號進行去噪分析。在采用小波算法對檢測數(shù)據(jù)進行去噪處理后，雷達探測數(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)分析結果的準確性。 

1.3   隧道襯砌裂縫分割與測量

將GPR 技術應用在隧道襯砌檢測中時，需先進行裂縫分割和測量，準確定位裂縫位置，從而得到準確的檢測數(shù)據(jù)。針對高壓富水地質隧道襯砌結構，在進行 GPR 檢測前，需對隧道進行注水試驗。注水試驗主要是為了模擬隧道襯砌結構在高壓富水環(huán)境下的水力學特性，以了解襯砌結構內部的水力連通通道[13]。文章選取了兩條高壓富水隧道進行試驗。一條是在左洞拱腰處設置一個注水試驗室，另一條是在右洞拱腰處設置一個注水試驗室。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。完成注水試驗后，采用 GPR 技術對左、右洞襯砌進行檢測[14-15]，主要對襯砌裂縫的類型和尺寸進行檢測。襯砌裂縫主要分為橫向裂縫和縱向裂縫兩種。其判定標準為，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，設曲線上的相鄰像素點 A 和 B 的坐標為 (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 技術的高壓富水地質隧道襯砌檢測方法的設計。 

2.   方法性能測試

2.1   測試流程設計

為了保證文章設計方法的應用有效性，筆者進行了性能測試。測試用 LTD-1200型 GPR 設備結構如圖3所示。 

圖  3  測試用 GPR 設備結構示意

在實際的測試過程中， GPR 參數(shù)設置如表1所示。 

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

圖  4  隧道工程實際監(jiān)測點布設示意

根據(jù)GPR的檢測情況，選擇合理的檢測深度，對于隧道內的襯砌進行裂縫檢測。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行檢測，并對比結果。 

2.2   試驗結果對比與分析

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，測試結果如圖5所示。 

圖  5  去噪前后的評價指標對比

通過圖5可以看出，對于含噪聲干擾的隧道襯砌結構信號進行去噪處理后，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)分析結果的準確性。 

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，一些細小的裂紋難以區(qū)分。在文章設計的方法下，裂縫更明顯且容易識別。根據(jù)不同方法的檢測圖像，對襯砌中的裂縫進行識別和測量，傳統(tǒng)方法和文章方法得到的結果如表2，3所示。 

為了驗證兩種檢測方法結果的準確性，對各裂縫的尺寸進行手動測量，得到的結果如表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果與研究區(qū)的裂縫實際參數(shù)進行對比，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)檢測方法的結果離散率為 0.83，文章方法結果的離散率為 0.11。即，文章設計的基于 GPR 技術的隧道襯砌檢測方法結果更接近于實際的裂縫尺寸，結果的離散率小，離散程度低，與實際情況更加相符。 

3.   結語

文章通過對隧道襯砌缺陷進行分類，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 檢測技術在高壓富水地質條件下的應用進行了總結。工程實際應用表明，GPR 技術能夠對高壓富水地質條件下的隧道襯砌缺陷進行高效檢測，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量控制提供科學的依據(jù)。

文章來源——材料與測試網