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隧道襯砌混凝土空洞的雷達(dá)探測(cè)研究

2015-10-19 10:59孫慶合
科技視界 2015年29期
關(guān)鍵詞:探地雷達(dá)空洞隧道

孫慶合

【摘 要】隧道襯砌混凝土背后容易出現(xiàn)空洞,進(jìn)而影響整個(gè)隧道的結(jié)構(gòu)安全。本文針對(duì)隧道襯砌混凝土空洞的特點(diǎn),使用Vivaldi雷達(dá)天線對(duì)該類型空洞進(jìn)行分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,該探地雷達(dá)適宜探測(cè)隧道襯砌背后存在的空洞,其發(fā)射天線和接收天線的互耦作用在數(shù)據(jù)處理的過程中可以消除掉;鋼筋間距較密時(shí),雷達(dá)天線系統(tǒng)的效率也會(huì)下降。

【關(guān)鍵詞】隧道;襯砌混凝土;空洞;探地雷達(dá)

0 前言

公路和鐵路隧道在使用混凝土進(jìn)行襯砌過程中,由于施工作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性或施工管理不善造成隧道襯砌背后出現(xiàn)較大空洞,這對(duì)襯砌隧道的結(jié)構(gòu)安全埋下了隱患,因此有必要及時(shí)隧道襯砌進(jìn)行空洞檢測(cè),以采取應(yīng)對(duì)措施,預(yù)防安全事故的發(fā)生。目前,對(duì)空洞的檢測(cè)主要采用探地雷達(dá),探地雷達(dá)在使用過程中,其特性會(huì)受到地層特性和地下媒質(zhì)中的異常體的影響,地層特性中對(duì)雷達(dá)天線特性影響較大的因素主要是介電常數(shù)和電導(dǎo)率;同時(shí)地層中會(huì)存在各種各樣的異常體,其中金屬對(duì)探地雷達(dá)的影響最大,因此本文首先對(duì)這些因素的影響進(jìn)行研究分析。

1 地層特性對(duì)雷達(dá)天線輻射場的影響

探地雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)為地層或者各種結(jié)構(gòu)物,如混凝土結(jié)構(gòu)等,而地層和混凝土等會(huì)對(duì)天線的輻射方式產(chǎn)生影響,因此在進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí),也需要考慮地層和天線之間的相互作用。本文以Vivaldi雷達(dá)天線為例進(jìn)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(duì)介電常數(shù)?棕?酌=5,電導(dǎo)率?滓=0S/m,采用時(shí)域有限差分法(FDTD)進(jìn)行模擬,模擬時(shí)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(jìn)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(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。由于電場和磁場的能流密度是連續(xù)的,電場和磁場分布也是連續(xù)的,所以在邊界面上會(huì)產(chǎn)生側(cè)面波,且側(cè)面波與邊界面的夾角即為折射臨界角(?茲=38°)。側(cè)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(cè)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(cè)到,因?yàn)槠湓诳諝庵袝?huì)以指數(shù)形式衰減,因此只能在地層上方很小范圍內(nèi)可以探測(cè)到。

由于探地雷達(dá)天線輻射場存在于損耗媒質(zhì)中,輻射場強(qiáng)度隨著傳播距離的增大迅速衰減,利用天線輻射遠(yuǎn)場分布來描述天線的方向性并不太合適,而且,探地雷達(dá)的探測(cè)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(yuǎn)場范圍。因此,在分析時(shí)除了分析天線的遠(yuǎn)場特性外,還應(yīng)分析距天線一定距離的地層內(nèi)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(cè),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(shí),取天線下方厚度約90cm(因分析時(shí)頻率設(shè)置為1GHz,波長?姿=30cm,90cm即為3?姿)范圍內(nèi)地層的場分布進(jìn)行分析。

2 地下媒質(zhì)中異常體對(duì)電磁波的散射

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

2.1 空洞對(duì)電磁波的散射

襯砌背后空洞是運(yùn)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(shè)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(fā)射天線和接收天線平行放置在地層上方,相距20cm,發(fā)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(nèi)充滿空氣(?棕?酌=1,?滓=0S/m)。

采用時(shí)域有限差分法進(jìn)行模擬,圖2是地層中近場的電場分布情況??梢园l(fā)現(xiàn),由于空洞的存在,電磁波會(huì)在空洞的邊界面上形成多次的反射,反射信號(hào)會(huì)被接收天線所接收,這些反射信號(hào)與均勻地層的反射信號(hào)會(huì)有明顯的區(qū)別,可見使用探地雷達(dá)探測(cè)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(shí)接收天線的回波電流。圖中脈沖信號(hào)1是發(fā)射脈沖直接耦合到接收天線的結(jié)果,脈沖2才是空洞產(chǎn)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(nèi)的多次反射形成的。發(fā)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(gè)測(cè)量過程中是保持不變的,在數(shù)據(jù)處理的過程中是可以消除掉的。

2.2 鋼筋對(duì)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(gòu)造鋼筋,鋼筋對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)的影響也很大。為了解鋼筋對(duì)電磁波的影響,假設(shè)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(hù)層厚度約為5cm,混凝土厚度60cm。將發(fā)射天線和接收天線平行放置在地層上方,相距20cm,發(fā)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(fā)現(xiàn),電磁波到達(dá)鋼筋所在位置時(shí),由于鋼筋的尺寸較小,電磁波會(huì)“繞過”鋼筋繼續(xù)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(xù),而且在鋼筋的下方會(huì)有一個(gè)很小的探測(cè)“盲區(qū)”,不過這個(gè)盲區(qū)不會(huì)影響對(duì)其他病害的探測(cè)。

圖5和圖6為仿真得到的鋼筋間距分別為10cm和20cm時(shí)接收天線的回波電流。圖中脈沖信號(hào)1是發(fā)射脈沖直接耦合到接收天線的結(jié)果,脈沖2是鋼筋產(chǎn)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(gè)較小的脈沖,是由于鋼筋對(duì)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(hào)比較弱。

表1為不同鋼筋間距時(shí)天線系統(tǒng)的輻射效率和總效率以及主瓣方向的增益對(duì)比,可以看出鋼筋間距較密時(shí),系統(tǒng)的效率也會(huì)下降,主瓣增益也會(huì)降低。這是由于鋼筋間距越密,在鋼筋上產(chǎn)生的感應(yīng)電流總數(shù)越多,因此也會(huì)消耗更多的輻射能量,所以才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降。

3 結(jié)論

根據(jù)本文的研究分析可以得出如下結(jié)論:

(1)使用探地雷達(dá)探測(cè)隧道襯砌背后存在的空洞是比較理想的方法;

(2)雷達(dá)發(fā)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(gè)測(cè)量過程中是保持不變的,在數(shù)據(jù)處理的過程中是可以消除掉的。

(3)鋼筋間距較密時(shí),雷達(dá)天禧系統(tǒng)的效率也會(huì)下降,主瓣增益也會(huì)降低。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯:鄧麗麗]

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