隧道襯砌混凝土空洞的雷達探測研究

孫慶合

【摘 要】隧道襯砌混凝土背后容易出現空洞，進而影響整個隧道的結構安全。本文針對隧道襯砌混凝土空洞的特點，使用Vivaldi雷達天線對該類型空洞進行分析和仿真實驗研究，結果表明，該探地雷達適宜探測隧道襯砌背后存在的空洞，其發射天線和接收天線的互耦作用在數據處理的過程中可以消除掉；鋼筋間距較密時，雷達天線系統的效率也會下降。

【關鍵詞】隧道；襯砌混凝土；空洞；探地雷達

0 前言

公路和鐵路隧道在使用混凝土進行襯砌過程中，由于施工作業環境的復雜性或施工管理不善造成隧道襯砌背后出現較大空洞，這對襯砌隧道的結構安全埋下了隱患，因此有必要及時隧道襯砌進行空洞檢測，以采取應對措施，預防安全事故的發生。目前，對空洞的檢測主要采用探地雷達，探地雷達在使用過程中，其特性會受到地層特性和地下媒質中的異常體的影響，地層特性中對雷達天線特性影響較大的因素主要是介電常數和電導率；同時地層中會存在各種各樣的異常體，其中金屬對探地雷達的影響最大，因此本文首先對這些因素的影響進行研究分析。

1 地層特性對雷達天線輻射場的影響

探地雷達的探測目標為地層或者各種結構物，如混凝土結構等，而地層和混凝土等會對天線的輻射方式產生影響，因此在進行天線設計時，也需要考慮地層和天線之間的相互作用。本文以Vivaldi雷達天線為例進行分析，該天線H平面（YOZ平面）在空氣和地層中的電場分布示意圖。天線位于地層上方高度h=3cm處，地層的相對介電常數？棕？酌=5，電導率？滓=0S/m，采用時域有限差分法（FDTD）進行模擬，模擬時頻率為f=1GHz。其物理意義可以解釋如下（圖1）：電磁波在空氣和地層中呈球狀進行傳播，并且傳播速度不同，由于傳播速度的差異，在空氣和地層分界面上會產生折射現象。由于電場和磁場的能流密度是連續的，電場和磁場分布也是連續的，所以在邊界面上會產生側面波，且側面波與邊界面的夾角即為折射臨界角（？茲=38°）。側面波在空間呈圓錐狀分布，開始于地層波的切線處，止于地層空氣分界面，側面波則可以視為空間波的波前。地層波的波前則為圖中所示的衰減波，衰減波較難觀測到，因為其在空氣中會以指數形式衰減，因此只能在地層上方很小范圍內可以探測到。

由于探地雷達天線輻射場存在于損耗媒質中，輻射場強度隨著傳播距離的增大迅速衰減，利用天線輻射遠場分布來描述天線的方向性并不太合適，而且，探地雷達的探測深度一般也僅在幾倍波長到十幾倍波長，并不一定在工作在天線的遠場范圍。因此，在分析時除了分析天線的遠場特性外，還應分析距天線一定距離的地層內的近場分布來觀察天線的方向特性。由于本文使用天線用于隧道襯砌及背后空洞的檢測，而隧道襯砌厚度一般不超過65cm，再加上噴射混凝土厚度一般為20cm左右，因此本文在分析近場特性時，取天線下方厚度約90cm（因分析時頻率設置為1GHz，波長？姿=30cm，90cm即為3？姿）范圍內地層的場分布進行分析。

2 地下媒質中異常體對電磁波的散射

雷達天線的探測效果不僅取決于天線的輻射場的強度和方向性等，還與探測目標的散射特性相關。探測目標對電磁波的散射特性比較復雜，不僅取決于目標的電磁參數，還與目標的形狀、大小等相關，下面簡單討論幾種在雷達探測隧道病害過程中比較常見的異常體對電磁波的散射問題。分析時均采用有限差分方法（FDTD）。

2.1 空洞對電磁波的散射

襯砌背后空洞是運營隧道中比較常見的一種病害，這里考慮一種比較簡單的情況，假設空洞位于各向同性的均勻地層中，且？棕？酌=5，？滓

=0.01S/m，空洞頂部距離地表深度為20cm。將發射天線和接收天線平行放置在地層上方，相距20cm，發射天線和接收天線均為VivaldiⅠ型天線。天線距離地層表面距離為3cm（0.1？姿），空洞寬度為40cm，高度20cm，空洞內充滿空氣（？棕？酌=1，？滓=0S/m）。

采用時域有限差分法進行模擬，圖2是地層中近場的電場分布情況?？梢园l現，由于空洞的存在，電磁波會在空洞的邊界面上形成多次的反射，反射信號會被接收天線所接收，這些反射信號與均勻地層的反射信號會有明顯的區別，可見使用探地雷達探測隧道襯砌背后存在的空洞是比較理想的方法。

圖3為仿真得到的有空洞時接收天線的回波電流。圖中脈沖信號1是發射脈沖直接耦合到接收天線的結果，脈沖2才是空洞產生的回波電流，可以看出空洞的回波電流是一串較小的脈沖，正是由于電磁波在空洞內的多次反射形成的。發射天線和接收天線的互耦可以看作是一種背景噪聲，它在整個測量過程中是保持不變的，在數據處理的過程中是可以消除掉的。

2.2 鋼筋對電磁波的散射

隧道襯砌中為改善混凝土受力，均配有主筋（受力鋼筋）及構造鋼筋，鋼筋對探地雷達探測的影響也很大。為了解鋼筋對電磁波的影響，假設鋼筋位于各向同性的均勻地層（混凝土）中，且？棕？酌=5，？滓=0.01S/m，鋼筋共上下兩排，直徑為？漬=28mm，保護層厚度約為5cm，混凝土厚度60cm。將發射天線和接收天線平行放置在地層上方，相距20cm，發射天線和接收天線均為VivaldiⅠ型天線。天線距離地層表面距離為3cm（0.1？姿）?？紤]兩種不同的鋼筋間距，d=10cm和d=20cm

圖4是地層中近場的電場分布情況?？梢园l現，電磁波到達鋼筋所在位置時，由于鋼筋的尺寸較小，電磁波會“繞過”鋼筋繼續傳播，但是由于鋼筋的屏蔽作用依然存在，電磁波繞過鋼筋之后，其電場分布沒有在均勻地層中那么連續，而且在鋼筋的下方會有一個很小的探測“盲區”，不過這個盲區不會影響對其他病害的探測。

圖5和圖6為仿真得到的鋼筋間距分別為10cm和20cm時接收天線的回波電流。圖中脈沖信號1是發射脈沖直接耦合到接收天線的結果，脈沖2是鋼筋產生的回波電流，可以看出，二者的回波電流基本相同。鋼筋的回波電流是一個較小的脈沖，是由于鋼筋對電磁波的反射而形成的，不過由于鋼筋的截面尺寸較小，所以反射信號比較弱。

表1為不同鋼筋間距時天線系統的輻射效率和總效率以及主瓣方向的增益對比，可以看出鋼筋間距較密時，系統的效率也會下降，主瓣增益也會降低。這是由于鋼筋間距越密，在鋼筋上產生的感應電流總數越多，因此也會消耗更多的輻射能量，所以才會導致系統效率的下降。

3 結論

根據本文的研究分析可以得出如下結論：

（1）使用探地雷達探測隧道襯砌背后存在的空洞是比較理想的方法；

（2）雷達發射天線和接收天線的互耦可以看作是一種背景噪聲，它在整個測量過程中是保持不變的，在數據處理的過程中是可以消除掉的。

（3）鋼筋間距較密時，雷達天禧系統的效率也會下降，主瓣增益也會降低。

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[責任編輯：鄧麗麗]