曹綺雯

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

東江水源工程部分隧洞受歷史原因、內(nèi)外界條件變化等多方面因素的影響，在近年不斷地暴露出一些問題，且呈快速增長的趨勢，主要體現(xiàn)在隧洞襯砌開裂、底板大面積損毀、圍巖破碎及混凝土內(nèi)部密實(shí)性差等安全問題出現(xiàn)加重趨勢，工程已建立一套適合東江輸水隧洞特點(diǎn)的隧洞補(bǔ)強(qiáng)加固與缺陷處理技術(shù)體系，如鋼拱架加固、粘貼鋼板加固、橫撐加固等[1- 3]，維護(hù)了隧洞群的穩(wěn)定。

水工隧洞回填灌漿可使混凝土襯砌與圍巖緊密結(jié)合，是確保隧洞安全運(yùn)行的重要措施之一，東江水源工程停水檢修期間期限緊張，為提高后續(xù)日常維護(hù)管理服務(wù)的效率和智能化水平，開發(fā)快速、高效的隧洞灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，可提高灌漿質(zhì)量檢測精度，擴(kuò)大檢測范圍，提高檢測效率。本文通過現(xiàn)場GPR檢測技術(shù)試驗(yàn)、物理模型試驗(yàn)和基于GPRMAX2D的正演模擬數(shù)值模擬分析，建設(shè)雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)圖像庫和多參數(shù)樣本特征庫，研究灌漿后雷達(dá)圖像與無缺陷區(qū)雷達(dá)圖像的相似度，確定各類缺陷灌漿質(zhì)量合格閥值，為灌漿質(zhì)量快速無損檢測提供技術(shù)指導(dǎo)，提高東江水源工程的運(yùn)行可靠性與安全性。

1 工程隧洞群概況與性能現(xiàn)狀

輸水隧洞是東江水源工程的主要建筑物及重要設(shè)施，全線共有隧洞17座，總長74.3km，其中：無壓隧洞12座，總長66.8km；有壓隧洞5座，總長7.5km。各條隧洞的工作環(huán)境(有壓/無壓)、斷面形式(圓形/城門洞形/馬蹄形)、襯砌結(jié)構(gòu)形式(素混凝土/鋼筋混凝土)、輪廓尺寸、襯砌結(jié)構(gòu)的具體組成及設(shè)計參數(shù)等復(fù)雜且多樣，見表1。東江引水工程輸水隧洞群自建成通水以來，已運(yùn)行近20年，隧洞群的形態(tài)呈現(xiàn)逐步老化的趨勢，各類缺陷將快速增長，因歷史原因、現(xiàn)狀改變等產(chǎn)生的問題將逐步快速凸顯。本文以永湖隧道和長嶺陂隧洞為分析對象，統(tǒng)計分析其性能缺陷。

由于受停水檢修期限(不超過一個月)限制，目前當(dāng)年灌漿工作質(zhì)量一般只能在下一年度由鉆孔抽芯、注水(漿)試驗(yàn)來檢查，這些傳統(tǒng)檢測方法雖然已被證明具有一定的科學(xué)性，在一些工程項(xiàng)目中亦仍在使用，但仍存在一些不足之處：

(1)受制于鉆孔布置的主觀性，灌漿差的地方可能沒被揭示，檢測成果存在偶然性。

(2)受制于“一孔之見”，使得檢測成果存在局限性。

(3)不能及時發(fā)現(xiàn)灌漿質(zhì)量問題，及時提出改進(jìn)措施(只能在下一停水周期進(jìn)行檢測)。

(4)檢測速度慢，使得業(yè)主不能及時對灌漿工作質(zhì)量作出評價，影響了灌漿處理工程驗(yàn)收，不利于整治工程項(xiàng)目管理。

表1 隧洞主要缺陷統(tǒng)計表

(5)在已灌漿整治處重新鉆孔檢測，對隧洞造成新的損壞，如封孔質(zhì)量差，可能會出現(xiàn)新的安全隱患。

2 灌漿質(zhì)量探地雷達(dá)現(xiàn)場檢測與正演模擬分析

2.1 現(xiàn)場GPR試驗(yàn)分析

探地雷達(dá)(GPR)技術(shù)[4- 6]主要基于不同介質(zhì)電磁屬性方面的差異對檢測對象質(zhì)量作出評價，其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)工作原理圖

工程停水檢修期間，在永湖隧洞(K36+190—K37+000)、長嶺陂隧洞(K102+600—K104+695)、進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，布置5條測線(拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻)，灌漿前采集1次，灌漿后采集1次，天線中心頻率500MHz和1000MHz。分析灌漿后地質(zhì)雷達(dá)圖像變化特征、相似度特征如圖2所示。

圖2 隧洞縱向地質(zhì)雷達(dá)測線布置示意圖

對長嶺陂隧洞、永湖隧洞開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，襯砌缺陷灌漿前、灌漿后各采集數(shù)據(jù)1次，現(xiàn)場試驗(yàn)雷達(dá)圖像如圖3所示。

2.2 正演模擬分析

本階段通過建立不同襯砌缺陷理論模型，研究空洞尺寸對反射波組特征的影響，并且基于時間域有限差分法采用GPRMAX2D軟件對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬分析[7]，將數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋z測的雷達(dá)波組圖進(jìn)行對比驗(yàn)證并加以分析。通過模型試驗(yàn)和模擬研究，考慮隧道襯砌素混凝土區(qū)空洞及空洞尺寸大小及埋深因素對雷達(dá)檢測的影響，綜合分析了其雷達(dá)檢測圖像的特征，為襯砌背后病害的現(xiàn)場檢測提供更豐富的辨識依據(jù)。

FDTD算法[8- 9]具有直接時域計算、計算程序的通用性、節(jié)約存儲空間等特點(diǎn)，為地質(zhì)雷達(dá)正演數(shù)值模擬計算的首選方法。綜合考慮計算時間和試驗(yàn)驗(yàn)證按要求，通過GPRMAX2D軟件對試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂斩慈毕葑鲞M(jìn)一步的二維數(shù)值模擬，與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槎S平面形式，網(wǎng)格步長Δx=Δy=0.0025m，時間步長Δt=5.896ps，迭代次數(shù)4239次，考慮時窗和中心頻率。激勵源用Ricker子波模擬，頻率為500MHz；吸收邊界條件依軟件默認(rèn)設(shè)置。發(fā)射天線與接收天線位于距離混凝土表面0.0025m處，天線步長為0.01m，計算步數(shù)為600?；炷料鄬殡姵?shù)分別為6.0，電導(dǎo)率為0.01。對于500MHz天線，時窗設(shè)置為20ns。

圖3 長嶺陂隧洞、永湖隧洞襯砌缺陷灌漿前、灌漿后地質(zhì)雷達(dá)圖像

通過建立不同襯砌缺陷理論模型，研究空洞形狀、尺寸、埋深對空洞反射波組特征的影響。分別對襯砌無缺陷、5cm空洞、10cm空洞、15cm空洞、20cm空洞、25cm空洞、30cm空洞、35cm空洞8種情況進(jìn)行正演模擬，正演模擬結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)，雷達(dá)反射波幅度、范圍與空洞缺陷尺寸大小成正比。綜上根據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)、現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達(dá)檢測襯砌缺陷灌漿質(zhì)量是有效的，地質(zhì)雷達(dá)圖像能反應(yīng)襯砌缺陷灌漿質(zhì)量情況，且具有無損、高效等特點(diǎn)。

3 物理模型試驗(yàn)分析

3.1 物理模型設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

在室內(nèi)構(gòu)建物理模型，人工控制灌漿質(zhì)量，采集對應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，分析不同灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)圖像特征、相似度特征。物理模型設(shè)計如圖5所示，物理模型設(shè)計如下：

(1)墻體尺寸長10m×高2m×厚度0.6m。

(2)分兩層澆筑，上層1m不鋪設(shè)鋼筋(素混凝土墻體)，下層1m鋪設(shè)鋼筋鑄模。

(3)缺陷尺寸長0.6m×高2m×厚度0.2m。

(4)澆筑2個缺陷，缺陷1靠內(nèi)側(cè)，缺陷2位于混凝土中。

(5)墻基開挖0.4m深，墻趾前、后各凸出0.6m，墻基尺寸長10m×寬1.8m×高0.4m，墻基配鋼筋。

(6)鋼筋配置：豎向鋼筋φ16@20，水平向鋼筋φ10@20，雙層鋼筋鋪設(shè)。

本對預(yù)留2個空洞進(jìn)行回填灌漿處理，人工控制灌漿效果。左側(cè)空洞回填灌漿情況：深度0～0.8m未回填灌漿、0.8～1.3m回填灌漿100%混凝土、1.3～2.0m回填建筑垃圾(安全帽、水瓶、碎石渣、金屬等)。右側(cè)空洞回填灌漿情況：深度0.0～0.6m未回填灌漿、0.6～1.36m回填灌漿82%混凝土、1.32～2.0m回填灌漿100%混凝土，地質(zhì)雷達(dá)測線統(tǒng)計見表2。

表2 地質(zhì)雷達(dá)測線統(tǒng)計表

對模型空洞進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測，天線頻率500MHz和1000MHz，灌漿前、灌漿后各采集一次，以1A- 1B、4A- 4B、5A- 5B和6A- 6B測線為例，物理模型試驗(yàn)雷達(dá)圖像見表3。

圖4 不同襯砌缺陷正演模擬圖

表3 模型試驗(yàn)灌漿前、灌漿后地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖5 物理模型設(shè)計圖

可以看出根據(jù)人工控制不同灌漿效果的物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同灌漿效果的地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值有差別，相似度值跟灌漿質(zhì)量成正比，后續(xù)利用雷達(dá)圖像相似度判斷灌漿質(zhì)量是否合格是有效的。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度分析

采用基于SIFT算法[10]的雷達(dá)圖像相似度軟件有針對性地選取這些圖像智能識別算法與標(biāo)準(zhǔn)圖像庫的進(jìn)行比對，從而判斷出灌漿后雷達(dá)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像差異的位置、特征，并計算出圖像的相似度。對永湖隧洞襯砌缺陷、長嶺陂隧洞襯砌缺陷、物理模型混凝土空洞缺陷灌漿后進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度分析，灌漿合格情況下地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值分布于區(qū)間86%～97%，灌漿不合格情況下地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值[11]分布于區(qū)間53%～79%，具體情況見表4。

表4 缺陷灌漿地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值

通過各類缺陷灌漿質(zhì)量合格和不合格(可根據(jù)需要按灌漿程度細(xì)分成幾種不同的工況)的正演模型計算、物理模型試驗(yàn)、實(shí)際灌漿現(xiàn)場試驗(yàn)，確定各類缺陷灌漿質(zhì)量合格的雷達(dá)圖像相似度閥值[12- 13]。并將該閾值作為判定缺陷處理后雷達(dá)檢測結(jié)果的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用如下標(biāo)準(zhǔn)值計算公式進(jìn)行計算：

φk=γsφm

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,φk—標(biāo)準(zhǔn)值；φm—平均值；γs—統(tǒng)計修正系數(shù)；σf—標(biāo)準(zhǔn)差；δ—變異系數(shù)。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)值計算公式，對灌漿合格情況下的地質(zhì)雷達(dá)相似度值進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算值為φm=93%，σf=0.029，δ=0.031，γs=0.986，φk=0.915。對灌漿合格區(qū)域相似度值進(jìn)行統(tǒng)計分析，灌漿合格相似度閾值為91.5%。

4 結(jié)論與展望

本文以東江水源工程永湖隧道和長嶺陂隧洞襯砌缺陷為研究背景，將探地雷達(dá)檢測技術(shù)應(yīng)用于隧洞灌漿質(zhì)量檢測中。結(jié)果顯示：

(1)根據(jù)物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)、正演模擬數(shù)據(jù)、現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達(dá)檢測襯砌缺陷灌漿質(zhì)量是有效的，地質(zhì)雷達(dá)圖像能反映襯砌缺陷灌漿質(zhì)量情況，且具有無損、高效等特點(diǎn)。

(2)根據(jù)人工控制不同灌漿效果的物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同灌漿效果的地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值有差別，相似度值跟灌漿質(zhì)量成正比，利用雷達(dá)圖像相似度判斷灌漿質(zhì)量是否合格是有效的。

(3)根據(jù)物理模型混凝土空洞缺陷、永湖隧洞襯砌缺陷、長嶺陂隧洞襯砌缺陷灌漿后地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值，灌漿合格情況下地質(zhì)雷達(dá)圖像相似度值主要分布于區(qū)間86%～97%，對灌漿合格區(qū)域相似度值進(jìn)行統(tǒng)計分析，灌漿合格相似度閾值為91.5%。

目前，東江水源工程沿線隧洞群運(yùn)行狀態(tài)雖基本穩(wěn)定，但由于外界不利條件的不確定性和隧洞形態(tài)的逐漸老化，部分缺陷或會持續(xù)惡化，因此需針對已加固洞段進(jìn)行長期檢測，以把握隧洞的運(yùn)行性態(tài)和充分探究各類加固方式長期工作可能出現(xiàn)的問題及解決方案。