地鐵隧道管片背后脫空及滲水病害檢測(cè)方法

許獻(xiàn)磊，馬 正，李俊鵬，梁 爽

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100083)

隨著城市化進(jìn)程的加快發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵已成為解決城市交通問題的有效途徑。以北京市為例，截至2018年地鐵的運(yùn)營(yíng)線路總里程已經(jīng)達(dá)到 600 km，我國(guó)地鐵建設(shè)已進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1-3]。地鐵的大量建設(shè)也產(chǎn)生了一些工程技術(shù)難題，如由于設(shè)計(jì)、施工等原因,地鐵隧道管片背后常出現(xiàn)脫空和滲水病害,伴隨混凝土退化、鋼筋銹蝕、襯砌背后土壓力的變化等相關(guān)問題的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致隧道塌方、涌水、涌泥等災(zāi)害發(fā)生，給地鐵隧道的施工和運(yùn)營(yíng)造成極大危害[4-7]。因此，如何對(duì)地鐵隧道管片后脫空及滲水病害進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)對(duì)病害屬性的劃分,是控制施工質(zhì)量、消除質(zhì)量隱患、保障地鐵運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵。

盾構(gòu)隧道的注漿處理是在一定的注漿壓力下,將注漿材料填入盾尾空隙內(nèi),待其固結(jié)硬化后起到充填管后結(jié)構(gòu)空隙、提供一定承載能力、防止圍巖或土體松弛下沉作用[3，8]。造成隧道管片背后脫空和滲水現(xiàn)象的主要原因有：①施工工藝。誤認(rèn)為圍巖壓力是由管片承受而注漿僅起到輔助作用，錯(cuò)誤思想導(dǎo)致了施工馬虎，產(chǎn)生了注漿不密實(shí)等缺陷。②混凝土收縮。施工時(shí)對(duì)原材料質(zhì)量控制不嚴(yán)，砂粒過(guò)細(xì)、水泥用量過(guò)大、混凝土水灰比過(guò)大等都對(duì)混凝土收縮產(chǎn)生影響。③圍巖壓力。隧道局部地段圍巖性狀變化和地下水富集,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[9-11]。物探技術(shù)的快速發(fā)展為地鐵隧道管片后脫空及滲水病害檢測(cè)提供了重要手段，其中探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)技術(shù)是一種用電磁波反射來(lái)確定隱蔽目標(biāo)體的技術(shù)，并以其無(wú)損、快捷以及淺層高分辨率的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)及隧道工程病害檢測(cè)中。2005年葉良應(yīng)[10]對(duì)地鐵隧道病害進(jìn)行了探地雷達(dá)探測(cè)研究，2007年張豐收[11]對(duì)盾構(gòu)隧道探地雷達(dá)探測(cè)的介電特性和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究，2012年張弛[12]應(yīng)用探地雷達(dá)在成都2號(hào)線對(duì)盾構(gòu)施工擾動(dòng)帶進(jìn)行了探測(cè)。2018年Amir等應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)隧道上方結(jié)合點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，為維修提供信息[13]。因地鐵隧道的特殊性和隱蔽性，目前基于GPR的管片后病害檢測(cè)仍然存在檢測(cè)精度低、屬性難以劃分的問題。

本文針對(duì)上述問題開展管片后的脫空和滲水病害檢測(cè)方法研究，通過(guò)正演模擬分析管片后脫空和滲水病害的雷達(dá)波反射特征，在此基礎(chǔ)上研究病害的識(shí)別算法以及病害屬性劃分的標(biāo)準(zhǔn)，將不同種類病害分級(jí)以指導(dǎo)施工修復(fù)。

1 地鐵隧道管片后病害檢測(cè)原理

GPR是一種對(duì)介質(zhì)表面下的特征高辨識(shí)率成像的電磁波技術(shù),其工作原理如圖1所示[14]。該技術(shù)通過(guò)天線連續(xù)拖動(dòng)的方式向隧道管片的外法線方向發(fā)射高頻電磁波，電磁波信號(hào)在傳播時(shí)遇到存在電性(介電常數(shù))差異的界面時(shí)，會(huì)反射、透射和折射。反射的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，通過(guò)雷達(dá)主機(jī)精確記錄反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，獲得隧道管片背后介質(zhì)的斷面掃描圖像，通過(guò)對(duì)掃描圖像進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識(shí)別管片后脫空和滲水病害目標(biāo)體的目的。

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。因此，所謂電性界面也就是電磁波傳播的速度界面。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上都會(huì)產(chǎn)生回波。電磁脈沖波旅行時(shí)間t為

(1)

式中：z為勘查目標(biāo)體的埋深；x為發(fā)射、接收天線的距離(因z>>x，故x可忽略)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

2 管片后病害的雷達(dá)特征分析

地鐵隧道管片后病害出現(xiàn)的位置主要集中在隧道壁后1 m范圍以內(nèi)的區(qū)域，參見圖1。該區(qū)域可分為3層：管片層(30 cm)、注漿層(約30 cm)，巖/土層(約40 cm)，管片背后脫空和滲水病害常出現(xiàn)在注漿層和巖/土層中或管片層和注漿層的交界位置。實(shí)際情況中，隧道結(jié)構(gòu)的各層介質(zhì)材料均為非均勻色散介質(zhì)，電導(dǎo)率和介電常數(shù)均存在一個(gè)變化范圍[15]。為了簡(jiǎn)化模型，本文在進(jìn)行空洞正演模擬過(guò)程中設(shè)定：

1)選取的各層介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)均為確定值，見表1。

表1 隧道正演模型參數(shù)

2)管片為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了更好地獲取病害的雷達(dá)特征，在進(jìn)行正演模型搭建時(shí)去掉了鋼筋以避免鋼筋帶來(lái)的干擾[16]。

基于表1中的參數(shù)，分別建立了不同大小、不同深度的隧道管片后脫空和滲水病害共16個(gè)，并利用GPRMax軟件進(jìn)行正演模擬。基于上述2種病害目標(biāo)對(duì)其不同大小和不同深度分別進(jìn)行建模，脫空病害區(qū)域中的介質(zhì)均為空氣，滲水病害區(qū)域中的介質(zhì)為水土混合物，其他條件均相同。因雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率，本研究主要應(yīng)用400，900 MHz 2個(gè)頻率進(jìn)行正演模擬。

2.1 脫空病害的正演模擬

分別對(duì)不同埋深、寬度和高度的脫空區(qū)域進(jìn)行建模對(duì)比，見圖2。所得探地雷達(dá)圖像見圖3。

圖2 脫空病害正演模型

圖3 以A掃描道組合形式呈現(xiàn)的脫空病害雷達(dá)圖像

由圖3可見：管片層、注漿層及巖/土層3層的分層特征較為明顯，脫空病害在雷達(dá)圖像上均呈現(xiàn)為開口向下的拋物線狀，電磁波穿越空洞模型時(shí)產(chǎn)生多次反射，并有繞射發(fā)生；對(duì)于同尺寸脫空病害模型，隨著其埋深的增加，拋物線在雷達(dá)圖像中呈現(xiàn)整體向下偏移的情況，且拋物線頂端的振幅值逐漸減??；在其他條件相同的情況下，拋物線的曲率隨著脫空病害模型寬度的減小而逐漸增大；在其他條件相同的情況下，隨著脫空病害高度的增加，模型底面在雷達(dá)圖像中的反射界面也隨之向下偏移，繞射和反射現(xiàn)象也愈加明顯。另外，相較于400 MHz雷達(dá)圖像，900 MHz雷達(dá)圖像有更高的分辨率，細(xì)部信息更加豐富，層位及異常頂?shù)捉缑娓用黠@。

2.2 滲水病害的正演模擬

分別對(duì)不同埋深、寬度和高度的滲水區(qū)域進(jìn)行建模對(duì)比，見圖4。所得探地雷達(dá)圖像見圖5。

圖4 滲水病害正演模型

圖5 以A掃描道組合形式呈現(xiàn)的滲水病害雷達(dá)圖像

從圖5可以看出：管片層、注漿層及巖/土層3層的分層特征較為明顯，滲水病害在雷達(dá)圖像上均呈現(xiàn)為開口向下的拋物線狀，電磁波在穿越滲水病害時(shí)產(chǎn)生明顯繞射，病害體內(nèi)多次反射現(xiàn)象在雷達(dá)圖像中不明顯；對(duì)于同尺寸滲水病害模型，隨著其埋深的增加，拋物線在雷達(dá)圖像中呈現(xiàn)整體向下偏移的情況，且拋物線頂端的振幅值逐漸減?。辉谄渌麠l件相同的情況下，拋物線的曲率隨著滲水病害模型寬度的減小而逐漸減?。辉谄渌麠l件相同的情況下，隨著滲水病害模型高度的增加，模型底面在雷達(dá)圖像中的反射界面也隨之向下偏移，繞射現(xiàn)象也愈加明顯。另外，相較于400 MHz 雷達(dá)圖像，900 MHz雷達(dá)圖像有更高的分辨率，細(xì)部信息更加豐富，層位及異常頂?shù)捉缑娓用黠@。

3 管片后病害的識(shí)別與屬性劃分

3.1 病害的識(shí)別

對(duì)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行如下處理：①零線設(shè)定；②背景去噪；③一維濾波；④小波變換；⑤增益處理。從處理后的雷達(dá)圖像即可確定病害可能出現(xiàn)的區(qū)域，然后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行識(shí)別和分析，判斷該區(qū)域是否存在病害并且屬于哪一種可能的病害。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)病害信息的識(shí)別首先要對(duì)原信號(hào)進(jìn)行必要的分解，以便于獲取信號(hào)中反映隧道管片背后脫空和滲水病害信息的特征指標(biāo)。本文主要采用K-L變換的信號(hào)分解方法。然后再利用追蹤算法，實(shí)現(xiàn)病害的識(shí)別。核匹配追蹤方法是通過(guò)貪婪算法在基函數(shù)字典中尋找一組基原子的線性組合來(lái)逼近目標(biāo)函數(shù)，該線性組合即為所要求解的決策函數(shù)[17-18]。

已知測(cè)量N次的樣本數(shù)據(jù)為(x,y)，其中x,y均為N維向量。目標(biāo)是通過(guò)一種方法找到x與y之間的映射關(guān)系。匹配追蹤算法將這種關(guān)系定義為若干基函數(shù)的線性組合，即

(2)

令函數(shù)gi=K(x,y)，K(x，y)為核函數(shù)。常見的核函數(shù)有高斯核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、S形核函數(shù)等。本文采用的高斯核函數(shù)為

(3)

核匹配追蹤方法的基本流程為：首先將訓(xùn)練數(shù)據(jù)從輸入空間映射到高維希爾伯特空間中，通過(guò)計(jì)算樣本間的核函數(shù)值來(lái)代替樣本在高維空間中的向量?jī)?nèi)積，并由相應(yīng)的核函數(shù)值生成基函數(shù)字典，最后采用貪婪算法求解。根據(jù)本文的病害識(shí)別方法，對(duì)脫空病害和滲水病害的正演模擬結(jié)果進(jìn)行處理。識(shí)別結(jié)果見圖6(以模型1為例)。

圖6 病害模型識(shí)別結(jié)果

3.2 病害屬性劃分標(biāo)準(zhǔn)

地鐵隧道各層介質(zhì)的地球物理特征決定了電磁波在其中傳播的形態(tài)，因此探測(cè)區(qū)域介質(zhì)的地球物理特征是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果解釋的重要依據(jù)。當(dāng)隧道管片背后出現(xiàn)病害時(shí)，“混凝土、水、巖/土”三相比也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，相對(duì)介電常數(shù)的變化成為探地雷達(dá)方法檢測(cè)病害的理論依據(jù)之一[19]。

目前數(shù)據(jù)解釋暫無(wú)法給隧道病害進(jìn)行分類，異常區(qū)域解釋結(jié)果基本采用脫空、含水等籠統(tǒng)概念，解釋結(jié)果無(wú)法直接有效指導(dǎo)施工修復(fù)方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)普查分析和試驗(yàn)，本文在分析綜合資料的基礎(chǔ)上，將地鐵隧道管片背后病害屬性劃分為6個(gè)類別：輕微疏松、中等疏松、嚴(yán)重疏松、脫空、一般滲水、嚴(yán)重滲水，判斷的依據(jù)為雷達(dá)回波的波組形態(tài)、振幅和相位特性、吸收衰減特性等。

隧道病害屬性及其圖譜特征見表2。其中，脫空區(qū)域?qū)儆趪?yán)重缺陷異常，包括隧道支護(hù)空洞，空洞會(huì)導(dǎo)致圍巖失去應(yīng)有的支護(hù)而松弛變形，導(dǎo)致失穩(wěn)脫落，嚴(yán)重會(huì)發(fā)生突變性崩塌。疏松區(qū)域結(jié)合其規(guī)模和影響范圍可劃分為輕微疏松、中等疏松和嚴(yán)重疏松3級(jí)。滲水異常根據(jù)其發(fā)育規(guī)模以及危害程度可分為一般滲水異常和嚴(yán)重滲水異常。

表2 病害屬性劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 探測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 數(shù)據(jù)采集

為驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地鐵隧道管片后病害探測(cè)的效果，本研究選擇廈門地鐵2號(hào)線的湖濱中路站至育秀東路站段進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)。該段隧道左側(cè)緊鄰筼筜湖，距離湖岸30 m，施工15 d后發(fā)現(xiàn)部分隧道管片表面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，見圖7(a)，現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集見圖7(b)。

圖7 試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)

本次探測(cè)采用的儀器為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)自主研發(fā)的GR-IV型便攜式探地雷達(dá)主機(jī)和400，900 MHz 雷達(dá)屏蔽天線，儀器見圖8。雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：①天線中心頻率為400，900 MHz；②采樣時(shí)窗分別為70，25 ns；③采樣點(diǎn)數(shù)為512；④共設(shè)置測(cè)線4條，在隧道兩側(cè)各布置2條測(cè)線，分別在隧道的上肩部和中部，4條測(cè)線呈對(duì)稱分布。

圖8 探地雷達(dá)儀器

4.2 探測(cè)結(jié)果

對(duì)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和病害識(shí)別。其中，根據(jù)廈門地鐵的實(shí)際情況，本研究中的管片層、注漿層、巖/土層的相對(duì)介電常數(shù)分別設(shè)置為6，8，15。以測(cè)線1(右上肩)和測(cè)線4(左中)為例，處理后的探地雷達(dá)圖像見圖9。

對(duì)處理后的探地雷達(dá)圖像進(jìn)行病害識(shí)別，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并排除各種干擾信號(hào)引起的異常后，按照3.2節(jié)病害屬性劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)病害屬性進(jìn)行判定，本探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為：共檢測(cè)出異常區(qū)域23處，其中滲水異常區(qū)域13處，脫空異常區(qū)域10處。測(cè)線1檢測(cè)出4處滲水異常區(qū)和3處脫空異常區(qū)；測(cè)線2未發(fā)現(xiàn)明顯異常區(qū)；測(cè)線3檢測(cè)出3處滲水異常區(qū)和3處脫空異常區(qū)；測(cè)線4檢測(cè)出6處滲水異常區(qū)和4處脫空異常區(qū)。

5 結(jié)論及建議

針對(duì)目前GPR技術(shù)在地鐵隧道管片背后脫空和滲水病害檢測(cè)中存在的受干擾影響大、檢測(cè)精度低的難題，提出了一種地鐵隧道管片背后病害的快速探測(cè)方法。同時(shí)，根據(jù)雷達(dá)回波波組形態(tài)、振幅和相位特性、吸收衰減特性等方面特征，初步建立了管片背后脫空和滲水病害屬性劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而將不同種類病害分級(jí)以指導(dǎo)施工修復(fù)，為保障地鐵隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全提供有效的技術(shù)支撐。

目前，本方法還存在如下問題：

1)受現(xiàn)實(shí)條件的制約，地鐵隧道內(nèi)的探測(cè)結(jié)果并不能全部進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

2)病害屬性劃分還需人機(jī)交互進(jìn)行，一定程度上依賴于作業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)。

未來(lái)應(yīng)從改進(jìn)病害識(shí)別算法、病害屬性自動(dòng)劃分兩方面著手，通過(guò)構(gòu)建合理的物理模型來(lái)研究并實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道管片背后病害的快速、精準(zhǔn)探測(cè)，為施工修復(fù)提供更好的服務(wù)。