地铁隧道管片背后隐蔽缺陷无损检测实验平台设计_刘海.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023实验设备研制与开发DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 013地铁隧道管片背后隐蔽缺陷无损检测实验平台设计刘海1，赖思聪1，岳云鹏1，孟旭1，刘超1，刘浩2(1 广州大学 土木工程学院，广州 510006;2 济南轨道交通集团有限公司，济南 250000)摘要:为研究电磁波在地铁隧道衬砌结构中的传播和散射规律，设计了一种用于模拟地铁隧道管片背后缺陷检测的实验平台。平台主要由 2 块足尺盾构隧道标准块、2 根不同材质的地下管线和不同尺寸的隐蔽缺陷组成，衬砌背后岩土体用石英砂填充。利用不同频率的探地雷达天线对地铁隧道背后隐蔽缺陷进行探测，可分析管片内部的双层钢筋网对背后不同间距缺陷雷达信号的屏蔽效应，以及不同尺寸缺陷或含水缺陷的典型雷达图像特征。此外，该平台还可以拓展应用于地下管线的探测等地下工程实验教学。关键词:实验平台;地铁隧道;隐蔽缺陷;探地雷达中图分类号:U 495文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0061 04An Multi-Functional Experimental Platform for the Detection ofHidden Defects Behind Subway Tunnel SegmentsLIU Hai1，LAI Sicong1，YUE Yunpeng1，MENG Xu1，LIU Chao1，LIU Hao2(1 School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China;2 Ji nan ail Transit Group Co，Ltd，Ji nan 250000，China)Abstract:This paper establishes a multi-functional experimental platform designed for detection void behind shieldtunnel segments The purpose is to investigate the GP responses from the concealed voids behind a shield tunnel Theplatform consists two shield tunnel segments，a PVC pipeline，a concrete pipeline，and voids with different sizes buriedin quartz sands behind the shield tunnel Hidden defects behind the shield segments are detected using GP antennaswith different frequencies A series of laboratory experiments are conducted to analyze and characterize the radarresponses of voids It can analyze the shielding effect of the double-layer rebar mesh inside the shield segment on thehidden defects with different spacing，as well as the response characteristics of GP B-scan images in different voidsMoreover，the platform has potential for use in underground pipeline experiments in teachingKey words:experimental platform;subway tunnel;hidden defect;ground penetrating radar(GP)收稿日期:2022-06-23基金项目:国家自然科学基金项目(5202010500);广州市科技计划项目 资 助(202206010017);广 州 大 学 大 学 生 创 新 训 练 项 目(S202111078079)作者简介:刘海(1986 )，男，湖南邵东人，教授，主要研究方向为地下结构无损检测。Tel:[phone];E-mail:hliu gzhu edu cn0引言随着我国城市化进程加速发展，城市轨道交通进入建设高峰期，对地下空间的开发提出了更高的要求1。为确保地下结构的工程质量，近年来我国对地下工程的检测和验收提出了更高质量的要求2，将最新的地下工程无损检测技术纳入土木工程实践课程。随着地下工程检测技术的不断发展3，隧道结构无损检测技术已成为隧道工程重要的研究领域之第 42 卷一4。地铁隧道在盾构管片施工过程中，由于盾构超挖、注浆压力不足和浆液凝固收缩等原因，导致背后注浆层不密实，进而产生背后空洞、管片开裂和渗水等问题，降低地铁隧道结构的安全性与耐久性5。因此，需要在地铁隧道竣工验收和运营期内及时开展隧道背后缺陷检测，保障地铁隧道的运营安全。探地雷达作为一种探测地下目标的浅地表地球物理方法，近年来在地下结构隐蔽缺陷无损探测领域得到了广泛应用6。针对地铁隧道盾构管片的隐蔽缺陷检测，探地雷达具有携带方便、检测速度快和检测精度高等优点7，有效地弥补了常规钻孔取芯检测方法的不足，为地铁隧道的缺陷修复和安全运维方案设计提供重要的科学数据和信息支撑8。结合探地雷达研究领域的最新研究成果，本文设计一种用于模拟盾构隧道管片背后空洞的无损检测实验平台，该平台通过预埋不同类型、大小的缺陷体，对其雷达图像进行分析，用于指导实际工程中的雷达数据解译工作。1探地雷达原理探地雷达的主要原理是通过天线发射器向地下发射高频电磁波脉冲信号，电磁波在地下介质传播过程中遇到存在电性差异的界面会发生反射，由天线接收器记录地下目标反射信号并传输至主机进行信号处理，通过图像重构可以确定地下介质分布情况。地下介质的电性差异决定了电磁波回波能量的差异，通过分析反射回波的振幅、频率和相位等信息，可以反演地下目标的形状、大小和材质等。当雷达天线收发距远小于目标体埋深时，可由下式计算目标体埋深:h=ct2r(1)式中:h 为目标体埋深;c 为电磁波在真空中的速度;t为回波信号在介质中的双程走时;r为地下背景介质的相对介电常数。由于地铁隧道盾构管片内部密集钢筋网会导致电磁波强散射和多次反射，并形成一定程度的屏蔽效应，严重影响管片背后隐蔽缺陷的探测和识别。图 1 所示为仿真实验结果，为了凸显被双层钢筋网屏蔽的背后缺陷体反射信号，在仿真实验中进行钢筋间距增大处理，设置钢筋间距为 30 cm。2地下结构隐蔽缺陷实验平台设计2.1实验平台设计为研究不同形状和尺寸目标体的雷达图像特征，从而高效识别地铁隧道背后隐蔽缺陷，在实验室开展地铁隧道隐蔽缺陷探地雷达检测实验，建立了含有不(a)探地雷达检测模型示意图(b)B-Scan 图图 1盾构隧道探地雷达仿真实验结果同尺寸预设缺陷体的多功能实验平台，如图 2 所示。实验平台由 2 环标准块盾构隧道管片以及三面砖墙围建而成。其中，标准块管片内径为 2 700 mm，厚度为300 mm。实验平台底部铺设内径为 400 mm 的混凝土与 PVC 地下管线各 1 根，每条管线正上方预埋规格为 300 mm 立方体缺陷，其中 1#、2#为亚克力水箱，用于模拟含水缺陷;3#、4#为泡沫块，由于泡沫与空气的介电常数相似9，实验平台用泡沫块模拟空洞;5#为预设管道缺陷，用于模拟地下管道受到外部冲击造成的损伤;6#为 80 cm 80 cm 60 cm 规格的泡沫块，用于模拟空洞。平台内部填充石英砂，盾构隧道管片背后设置不同大小、形状的(含水)缺陷体，用于探索盾构管片背后不同空洞的电磁响应特征。(a)俯视尺寸(b)内部预设缺陷平面布置图图 2实验平台构造2.2实验内容设计为揭示电磁波在地铁隧道衬砌结构中的散射和传播规律，引导学生理解不同雷达天线中心频率对地铁隧道背后隐蔽缺陷探测结果的影响，本实验设备采用某商业探地雷达系统，分别使用 200、400、600 和 900MHz 中心频率天线对直径或边长为 30、40、50、60、70、80 cm 的泡沫或亚克力球体、立方体进行模拟空洞或含水空洞缺陷检测，引导学生探究盾构管片内部密集钢筋网对不同中心频率探地雷达天线穿透能力的影响26第 2 期刘海，等:地铁隧道管片背后隐蔽缺陷无损检测实验平台设计及其屏蔽效应。地铁隧道隐蔽缺陷探地雷达检测实验具体步骤如下，以 80 cm 方形空洞探测为例:实验开展前预先埋入 80 cm 的亚克力立方体;将隐蔽缺陷完全掩盖于石英砂中，于缺陷体中部埋深处设置沿管片环向的测线，使用不同中心频率的雷达天线沿测线对盾构管片进行探测;完成背后空洞探测后，开挖缺陷体至顶部注水孔露出，往正方体亚克力箱内注满水并重新填砂覆盖缺陷体;按照上述步骤再次进行不同中心频率雷达天线的检测实验后，对缺陷体进行整体开挖工作，同时使用负压离心泵排出亚力克箱体内的水;待 80 cm 立方体缺陷移出砂坑后，在原有砂坑上埋置80 cm 亚克力球作为新工况进行检测实验。2.3实验平台拓展应用为充分利用实验平台硬件设施，针对隧道病害可对实验平台进行以下多功能拓展应用:(1)开展管中雷达探究实验。选取高频天线并辅以管道机械设备进入混凝土和 PVC 管道内进行探测，探究不同材质管道外隐蔽缺陷的雷达成像特征。实验完成后，开挖清除平台内预埋缺陷体，为探究电磁波对不同间距缺陷体的响应特征实验排除干扰。(2)开展不同钢筋间距探测实验。利用实验平台侧面空心砖墙铺设纵向钢筋，预设不同间隔钢筋网，进行等比例探测实验。探究不同尺寸、间距钢筋对雷达穿透能力的影响及其屏蔽效应等。(3)开展地铁隧道管片背后金属板反射实验10。定量对比不同主频天线电磁波穿透管片的能量大小，建立内部包含双层钢筋网的盾构隧道数值模型，对仿真和模型实验结果进行对比分析，确定盾构隧道探地雷达探测的最优天线主频。3实验测试3.1测试过程本实验平台的地铁隧道隐蔽缺陷无损检测实验过程:(1)实验准备阶段。开挖砂坑并完成缺陷体的掩埋与回填土工作;组装雷达主机、雷达天线、电源和传输电缆线;操作控制单元完成实验参数设置。(2)实验进行阶段。布置测线;专人移动雷达天线，使天线和测距轮紧贴管片内壁保证其稳定触发不丢道;实验数据处理及分析。本文选取 80 cm 立方体亚克力箱作为隐蔽体进行测试，如图 3 所示为管片背后方形空洞布置示意图，箱体正面紧贴管片壁，左侧距离管片环缝 100 cm，底部埋深 90 cm，亚克力箱体内部完全注水并密封，选用600 MHz 天线进行数据采集。为保证检测过程中的测量精度，选择测距轮触发方式采集雷达数据。实验过程中需要紧压测距轮，保证测距轮与管片壁紧密接触，防止测距轮打滑从而导致道缺失。雷达采样点数设置为 2 048，时窗设置为45 ns。为确保含水缺陷精确成像，测线需要高于缺陷体底部埋深但不高于顶部埋深，布置测线于地面 1 m处。实验过程中需要保持探地雷达底部紧贴管片壁，从而保证天线和管片的耦合效果。测线起始点位于盾构隧道管片最左端，数据采集沿预设测线路径平行前进，至管片最右端终止数据采集，进行多组重复实验。图 4 所示为管片背后隐蔽缺陷探测实验现场图。图 3管片背后方形空洞布置图 4管片背后隐蔽缺陷探测实验现场3.2数据处理为提高信噪比和缺陷体的信号识别度，有效获取目标信息，需要对原始雷达数据进行处理。主要步骤包括带通滤波、背景去除、增益处理和零时校正。(1)带通滤波。通过在频域中设置相应频率滤波窗函数抑制雷达中的高低频噪声，进而保留有效频段，提高雷达信号的信噪比，其表达式为11:H(f)=0，f f1sin22f f1f2 f()1，f1 f f21，f2 f f3sin22f4 ff4 f()3，f3 f f40，f f4(2)式中，f1、f2、f3和 f4为滤波器阈值频率。(2)背景去除。探地雷达数据中的背景噪声是由于天线阻抗不匹配、直达波和地表反射等引起的，在雷36第 42 卷达剖面中呈现水平条带状，其幅值往往高于地下目标的反射信号导致隐蔽缺陷识别困难，为此可采用滑窗平均法进行背景去除，即从各道数据中减去其对应的平均值，表达式为F(x，t)=Fk(x，t)?Fk(x，t)(3)式中:F(x，t)为去背景后的时域信号;Fk(x，t)为第 k段滑窗内的时域信号;?Fk(x，t)为第 k 段滑窗内的时域信号平均值。(3)增益处理。为补偿电磁波在介质传播中的信号衰减，可放大深部目标信号，本文采用指数增益进行增益处理，对原始数据乘以增益函数得到增益后时域信号11 Y0(t)=Y(t)vtexp(t)(4)式中:Y0(t)为增益前时域信号;v 为电磁波在地下介质的传播速度;t 为电磁波从发射至接收的双程时延;为衰减系数。(4)零时校正。为能够修正雷达系统时延，需要控制地表反射信号处于零时刻的位置，可选取直达波的起跳点作为零时刻点。图 5 所示为经数据处理后的管片背后方形空洞探地雷达剖面图，红色线框标记出反射异常区域，其中，密集钢筋网产生的强反射在 0 6 ns 之间，隐蔽缺陷体产生的反射异常区域在 8 14 ns 之间，此外还包括平台墙体反射以及远端泡沫空洞反射。由于盾构管片内部垂直于测线方向的钢筋间距为16 cm，与仿真实验设置的 30 cm 钢筋间距相比，密集钢筋网会造成电磁波强散射和多次反射，产生屏蔽效应，导致透射电磁波频率在低频范围内表现为盲带12。由图 5 可知，远端空洞的反射信号相对于浅埋含水空洞，呈现明显的震荡特征。其原因是地下介质介电常数大于空气介电常数，电磁波进入空洞过程中反射系数为正，反射波振幅增强。电磁波在空洞内发生多次反射，使空洞雷达波三相特征明显，产生复杂震荡信号，并且空洞边缘发生绕射现象13。图 5经数据处理后管片背后方形空洞探地雷达剖面4结语本文搭建了一种多功能地下结构隐蔽缺陷无损检测实验平台，可开展不同层次的地下结构无损检测实验教学，通过实验教学表明:缺陷体与盾构管片间的距离会影响探地雷达的电磁响应特征，远端缺陷体呈现明显的震荡特征，实验有助于掌握地铁盾构隧道背后缺陷探地雷达检测的实验和数据处理全过程。实验平台还可拓展应用于管中雷达探测、钢筋间距对电磁波散射和透射影响规律等探究性实验。参考文献(eferences):1侯秀芳，梅建萍，左超 2021 年中国内地城轨交通线路概况 J 都市快轨交通，2022，35(1):12-162陈湘生，徐志豪，包小华，等 隧道病害监测检测技术研究现状概述 J 隧道与地下工程灾害防治，2020，2(3):1-123Yu Q，Zhou H，Wang Y，et al Quality monitoring of metro groutingbehind segment using ground penetrating radar J Construction andBuilding Materials，2016，110:189-2004Alani A M，Tosti F GP applications in structural detailing of amajor tunnel using different frequency antenna systems JConstruction and Building Materials，2018，158:1111-11225Shi Y，Chen Z，Wei D，et al Analysis of structural response ofsubway shield tunnel lining under the influence of cavitiesJAdvances in Civil Engineering，2021，2021:33265956胡群芳，郑泽昊，刘海，等 三维探地雷达在城市市政管线渗漏探测中的应用J 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