葉子劍,張成平,葉 英

(1.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044；2. 北京市市政工程研究院地下工程建設(shè)預(yù)報預(yù)警北京市重點實驗室,北京 100037)

管片背后接觸狀態(tài)的檢測對于隧道的安全運營非常重要,管片或襯砌背后接觸不良具有極強的隱蔽性和不確定性,可引發(fā)一些次生病害,如地表沉降及隧道縱向變形、管片承載力降低等,嚴(yán)重危害襯砌結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定[1-4]。傳統(tǒng)的隧道管片背后接觸狀態(tài)的無損檢測方法主要為地質(zhì)雷達(dá)法,其相關(guān)技術(shù)也已被廣泛研究和應(yīng)用[5-7],但是由于地質(zhì)雷達(dá)法在實際工程應(yīng)用中存在檢測出的圖像特征不明顯,對脫空的位置、尺寸等難以準(zhǔn)確判斷[8],且存在電磁波繞射明顯、二襯鋼筋屏蔽、作業(yè)安全隱患大、檢測成本高等問題[9],這使得襯砌背后脫空檢測仍為行業(yè)質(zhì)量檢測的難題。

不同于地質(zhì)雷達(dá)法,瞬變電磁法(TEM)目前已形成了較為完備的系統(tǒng),應(yīng)用也很普遍。Wu等[10]利用瞬變電磁法基于巖層電阻率變化對鄂爾多斯市的煤礦采空區(qū)域進(jìn)行了探測；Lin等[11]利用瞬變電磁法對水的敏感性對地下液化石油氣儲存中的水幕系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了評估；段錚等[12]和李術(shù)才等[13]對瞬變電磁法在超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。除了通常應(yīng)用于石油資源及金屬礦產(chǎn)、地下水及工程地質(zhì)環(huán)境勘察外,現(xiàn)有研究利用瞬變電磁法進(jìn)行工程質(zhì)量檢測還是一個比較新的領(lǐng)域。

瞬變電磁法利用電磁感應(yīng)原理,根據(jù)二次磁場按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減來推斷地下待測介質(zhì)的物理參數(shù)。相比于地質(zhì)雷達(dá)法,瞬變電磁法在探測深度、探測效率、分辨率、抗干擾等方面具有一定優(yōu)勢,在襯砌背后接觸狀態(tài)檢測中被看好,但是由于地下空間中隧道檢測的特殊性,目前利用瞬變電磁法檢測隧道管片背后脫空情況尚未有報道。針對管片襯砌背后接觸狀態(tài)檢測,瞬變電磁法存在的主要問題有:

(1)關(guān)斷時間的影響

襯砌背后接觸狀態(tài)檢測時所需要的檢測深度不高,相應(yīng)需要的關(guān)斷時間很短,但是目前國內(nèi)外研制的測量系統(tǒng)都不能達(dá)到零時間關(guān)斷,而且在實際工作中由于發(fā)射電流的關(guān)斷時間不為零,通過接收裝置所獲得的瞬變電磁信號發(fā)生畸變,用于探測解釋將會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。

(2)一次場早期信號的影響

目前,瞬變電磁法儀器在采集記錄和數(shù)據(jù)處理時大部分采用晚期信號,而由于淺部結(jié)構(gòu)信息主要由早期信號攜帶,將會在一定程度上損失針對淺部結(jié)構(gòu)的探測能力。同時也會影響瞬變電磁法的分辨能力,因為關(guān)斷電流的影響將使瞬變響應(yīng)發(fā)生畸變。

(3)采樣率的影響

瞬變電磁前期信號的特點是幅值大、變化劇烈,不像中晚期信號變化很緩慢,采樣前期信號時低采樣率所帶來的誤差會直接影響到反演精度。因而在解決動態(tài)范圍的同時還要進(jìn)一步提高采樣率。

為解決目前管片背后接觸狀態(tài)檢測中存在的脫空位置定位不準(zhǔn)確、檢測效果不明顯等問題,彌補地質(zhì)雷達(dá)探測深度上的不足,克服地面瞬變電磁法早期信號影響,針對管片背后接觸狀態(tài)的檢測,本文基于瞬變電磁法原理[14-15],提出通過探測視電阻率變化規(guī)律識別管片背后接觸狀態(tài)的雷達(dá)采集裝置系統(tǒng)——瞬變電磁雷達(dá)系統(tǒng)(TER)[16-18],通過模擬計算、模型試驗,以及在廈門地鐵2號線的工程應(yīng)用,探索分析了管片背后接觸狀態(tài)的視電阻率變化規(guī)律,驗證了儀器應(yīng)用的有效性。

1 瞬變電磁雷達(dá)技術(shù)

1.1 基本原理

TEM基本原理如圖1所示,探測目標(biāo)體介質(zhì)在一次電流脈沖場的激勵下會產(chǎn)生渦流。在脈沖間斷期間,渦流不會立即消失,而是在其周圍空間形成隨時間衰減的二次磁場。異常體的導(dǎo)電性、體積規(guī)模和埋深,以及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率決定了二次磁場隨時間衰減的規(guī)律,因此可通過接收線圈或接地電極對二次場有關(guān)信息進(jìn)行測量和分析來了解異常體的空間分布,從而達(dá)到探測地下目標(biāo)體的目的。

圖1 TEM基本原理

隧道管片與周圍巖土體的電阻率存在差異,盾構(gòu)管片是有規(guī)律鋼筋分布的均勻相同介質(zhì),管片背后注漿體、圍巖、脫空等介質(zhì)則表現(xiàn)為不同的視電阻率差異。在管片、注漿體、圍巖中鋼筋和水的電阻率較低,而混凝土、空洞、巖石都為高電阻率。因此,利用瞬變電磁法探測視電阻率的變化進(jìn)行管片背后接觸狀態(tài)具有可行性。

為使管片背后接觸狀態(tài)的檢測更加準(zhǔn)確,利用視電阻率變化規(guī)律進(jìn)行檢測,本文基于TEM理論,提出一種雷達(dá)采集裝置TER,其工作原理是使用調(diào)制的瞬變電磁波形和定向天線向地下空間中的特定空域發(fā)射電磁波以搜索目標(biāo)。搜索域內(nèi)的物體(目標(biāo))把能量的一部分反射回雷達(dá)接收機(jī)處理這些回波,從中提取距離、速度、角度位置和其他目標(biāo)識別特征等目標(biāo)信息。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計及組成

TER系統(tǒng)主要由電磁發(fā)送系統(tǒng)、電磁感應(yīng)系統(tǒng)、電磁采集系統(tǒng)組成[14],如圖2所示。

圖2 TER系統(tǒng)組成

1.2.1 電磁發(fā)送系統(tǒng)

電磁發(fā)送系統(tǒng)中的波形發(fā)射器可基于實際需求產(chǎn)生占空比不同的各類波形,如三角波、方波等。通過驅(qū)動器提供一定的驅(qū)動能力,電磁發(fā)射機(jī)能夠輸出產(chǎn)生較大的電流；發(fā)射系統(tǒng)的核心部分是輸出級,通過采用不同的輸出方式,輸出不同結(jié)果的發(fā)射波形。除上述部件外,在發(fā)射機(jī)內(nèi)部還配備有同步信號電路、同步隔離電路、輸出保護(hù)電路等裝置。

由于關(guān)斷時間間接決定了探測效果,為實現(xiàn)大電流、短關(guān)斷延遲時間,TER電磁發(fā)射機(jī)采用基于全橋拓?fù)涞呢?fù)載能量電路。發(fā)射電流在下降沿以高斜率呈線性下降,從而解決了發(fā)射電流的拖尾現(xiàn)象,使得關(guān)斷延遲時間大幅縮減,并消除了電流過零現(xiàn)象[14]。電磁發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)如圖3所示,主控單元采用Phlips公司的單片機(jī)P89C58X2。發(fā)射橋路采用MOSFET器件(圖4),其可使開關(guān)速度比IGBT更快并且極易并聯(lián)。

圖3 電磁發(fā)射機(jī)組成原理框架圖

圖4 IRF3205橋路

1.2.2 電磁感應(yīng)系統(tǒng)

電磁感應(yīng)系統(tǒng)由連接測量輪的發(fā)射天線和接收天線組成。測量輪主要利用傳感器測量旋轉(zhuǎn)速度,通過距離轉(zhuǎn)換進(jìn)一步測量移動距離,在移動測量時常用測量輪傳感器標(biāo)定移動的距離或位置。對于發(fā)射線圈裝置的設(shè)計,需要考慮的因素主要有發(fā)射裝置電阻、發(fā)射裝置電感、等效面積、發(fā)射裝置的繞制方法和在工程中的易用性等,TER系統(tǒng)發(fā)射線圈主要采用導(dǎo)電率較高的銅芯導(dǎo)線繞制而成。接收線圈作為接收系統(tǒng)的核心部分,主要有帶磁芯線圈和空心線圈兩種?？招木€圈衰減速度快,相對地靈敏度低,且其體積較大,不易攜帶和調(diào)水平；帶磁芯的線圈靈敏度高,體積小,但是衰減常數(shù)大。因此,TER系統(tǒng)接收線圈選取0.1～0.3 mm導(dǎo)電率與導(dǎo)熱性較好,且易于繞制的銅導(dǎo)線。

1.2.3 電磁采集系統(tǒng)

在測試過程中,信號先通過傳感器將磁信號轉(zhuǎn)變成電信號,再由放大器進(jìn)行放大,并且過濾掉高頻干擾信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進(jìn)行存儲。電磁采集系統(tǒng)通過采用獨立的16通道24位高精度、低功耗A/D轉(zhuǎn)換器,輸入信號幅度可經(jīng)程控增益放大器調(diào)配到合適的范圍,從而保證最佳轉(zhuǎn)換精度,電磁接收機(jī)采樣率可達(dá)到100 kHz,并實現(xiàn)所有通道的同步數(shù)據(jù)采集。高速TCP/IP接口可讓測量數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)接嬎銠C(jī)ZigBee無線接口和WiFi無線接口,實現(xiàn)計算機(jī)對采集器的遙控。

圖5 電磁接收機(jī)組成原理框架圖

電磁接收機(jī)組成原理框架如圖5所示,采用“數(shù)據(jù)采集卡+底板”的總體結(jié)構(gòu),整個系統(tǒng)由1個系統(tǒng)底板和1個數(shù)據(jù)采集卡組成,數(shù)據(jù)采集卡上有16個通道系統(tǒng)組成。這種結(jié)構(gòu)將多通道化整為零,便于設(shè)計和調(diào)試,并且根據(jù)應(yīng)用需求增加或減少通道數(shù)量都非常方便,數(shù)據(jù)采集卡主要由A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA和 SDRAM組成,負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為高精度數(shù)據(jù)并存儲在SDRAM中。底板主要由ARM、FPGA、ZigBee模塊、Wiport等組成,其作為計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡之間的通信接口,既總控系統(tǒng),又可將數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。整個系統(tǒng)采用統(tǒng)一的時鐘源和觸發(fā)信號,時鐘源和觸發(fā)信號在底板上引入,經(jīng)驅(qū)動后同步分發(fā)到系統(tǒng)的各個通道,從而實現(xiàn)各通道同步。

1.2.4 信號及數(shù)據(jù)處理

瞬變電磁法信號具有動態(tài)范圍大,頻帶寬,在早、中、晚期的衰減速度差別大的特點。為提高晚期有用數(shù)據(jù)的信噪比,電磁采集系統(tǒng)宜盡量選擇合適的頻寬,采用數(shù)據(jù)組合濾波,將強干擾信息剔除,或是進(jìn)行圓滑處理的方式對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪處理,對于背景信號太弱的有用信號進(jìn)行弱信息增強處理。由于瞬變電磁法探測目標(biāo)主要為低電阻體,瞬變電磁信號產(chǎn)生異常時存在固有特征與規(guī)律,符合該規(guī)律的則為有用信息,不符合該規(guī)律的多為干擾信號。

管片背后接觸狀態(tài)的檢測主要依托于圍巖土體等不同介質(zhì)視電阻率所產(chǎn)生的異常變化。在瞬變電磁法中,探測體視電阻率等于采用相同瞬變電磁系統(tǒng)和測量裝置,同一時刻產(chǎn)生的與測量值相同的瞬變場響應(yīng)的均勻?qū)щ姲肟臻g的電阻率。

( 1 )

( 2 )

(3)

1.3 工作裝置及性能指標(biāo)

TER工作裝置包括TEM的各種裝置,TER系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用連體組合形式,并采用有線電纜進(jìn)行同步,兩臺整機(jī)也可聯(lián)合一個僅用發(fā)射機(jī),另一個僅用接收機(jī)。同時移動仍采用有線電纜同步,不同時移動則采用GPS同步,還設(shè)計有發(fā)射線圈和接收線圈同體的重疊回線方式,如圖6所示。

圖6 TER瞬變電磁雷達(dá)

TER性能指標(biāo):發(fā)射機(jī)可發(fā)射頻率為0.062 5～222 Hz的脈沖信號,斷電時間小于100 μs,供電電流0～50 A,采用上升沿觸發(fā),發(fā)射方式可選擇連續(xù)發(fā)射、測量輪及GPS觸發(fā),連續(xù)、測量輪發(fā)射方式可用于結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測。電流波形為雙極性方波,占空比可調(diào)。接收機(jī)采樣頻率為4.096～52.734 kHz,24 Bit高精度分辨,疊加次數(shù)為1～9 999,測試速度為1 km/h。

2 瞬變電磁法視電阻率的計算

2.1 時間域瞬變電磁法視電阻率的求取

由于TER主要通過探測介質(zhì)的視電阻率變化來判斷介質(zhì)特性,為驗證瞬變電磁雷達(dá)的可行性,首先利用理論計算結(jié)果對視電阻率的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

瞬變電磁法中,視電阻率分為晚期視電阻率和早期視電阻率,在計算早期視電阻率時,常常會發(fā)生較大畸變。本文為研究基于時間域瞬變電磁法探測管片背后接觸狀態(tài)的有效性,需要在所有時刻都能夠反映真實狀態(tài)的電模型,因此利用時間域內(nèi)圓形回線的瞬變電磁響應(yīng),對全期視電阻率進(jìn)行正演模擬,并提取晚期有用信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對水平層狀介質(zhì)進(jìn)行一維正演模擬在解決實際問題中較為常用。一維正演計算大多是在頻率域下進(jìn)行,通過地質(zhì)模型的電磁響應(yīng),利用頻率域中赫姆霍茲方程求解瞬變電磁場,然后將頻率域下的時變電磁場結(jié)果轉(zhuǎn)換到時間域。基于傅里葉變換譜方法可以將頻率域電磁場分量直接轉(zhuǎn)換到時間域。模擬所采用公式如下:

早期視電阻率表達(dá)式由式(1)推導(dǎo)可得

( 4 )

由式(2)推導(dǎo)可得

( 5 )

晚期視電阻率表達(dá)式由式(1)推導(dǎo)可得

( 6 )

由式(2)推導(dǎo)可得

( 7 )

2.2 管片背后接觸狀態(tài)正演模擬

2.2.1 模型參數(shù)設(shè)置

為探索視電阻率在管片背后不同接觸狀態(tài)下的變化規(guī)律,在其他參數(shù)相同的情況下,分別考慮管片背后脫空區(qū)域內(nèi)為空氣、積水、松散土體、與圍巖密實接觸四種狀態(tài),并根據(jù)充填物質(zhì)的實際電阻率參數(shù),設(shè)置三層介質(zhì)的地質(zhì)模型進(jìn)行計算。為研究脫空厚度內(nèi)充填不同介質(zhì)時視電阻率的變化曲線,考慮實際檢測中常出現(xiàn)的厚度,選取0.5 m脫空厚度作為研究對象。

模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。第一層介質(zhì)鋼筋混凝土管片依據(jù)文獻(xiàn)[20]設(shè)置。由于影響土體電阻率的主控因素為含水率,第三層介質(zhì)根據(jù)電阻率試驗結(jié)果[21-24],含水率為25%,砂質(zhì)黏土及砂土的電阻率擬設(shè)約為30 Ω·m。第二層介質(zhì)按4種情況設(shè)置:①脫空狀態(tài),即脫空區(qū)域內(nèi)為空氣,電阻率為無窮大；②脫空區(qū)域內(nèi)充填地下水,依據(jù)試驗結(jié)果[18-22],地下水電阻率為10～100 Ω·m；③松散接觸狀態(tài),即脫空區(qū)域內(nèi)為帶有空洞孔隙的潮濕松散土體,孔隙率為30%～37%,飽和度為30%～100%,相應(yīng)含水量為6.3%～21%時,土體電阻率為200～600 Ω·m；④密實狀態(tài),即管片與圍巖接觸良好,無第二層介質(zhì)。

表1 模型參數(shù)表

針對地質(zhì)模型,采用TEM法計算,為驗證TER的可行性,計算所用參數(shù)為儀器實際參數(shù),回線邊長為0.3 m,發(fā)送電流為10 A,匝數(shù)為30,接收線圈面積為2.7 m2,時間為10-6～ 1s,關(guān)斷時間Toff為0 s。

2.2.2 充填地下水

脫空區(qū)域充填地下水時,視電阻率變化如圖7所示。由于地下水的電阻率相對較低,當(dāng)其低于第三層土體的30 Ω·m時,隨著地下水電阻率的降低,視電阻率異常變化越明顯,說明TEM法對于低阻薄層的探測較為敏感。

圖7 充填地下水時視電阻率變化情況

2.2.3 松散接觸狀態(tài)

脫空區(qū)域為松散接觸狀態(tài)時,視電阻率變化如圖8所示,隨著中間層電阻率的逐漸增大,曲線分布較為集中,均逐漸趨近于脫空狀態(tài),說明當(dāng)中間層視電阻率相對較高時,視電阻率曲線變化規(guī)律較為相似。

圖8 松散接觸狀態(tài)下視電阻率變化情況

2.3 管片背后接觸狀態(tài)視電阻率曲線特征

圖9為管片背后不同接觸狀態(tài)的視電阻變化特征?？傮w來看:

(1)管片背后充填不同物質(zhì)時,隨著時間的增長,視電阻率值均由第一層鋼筋混凝土管片100 Ω·m處向第三層30 Ω·m處過渡,并最終趨于穩(wěn)定。

(2)管片背后不同接觸狀態(tài),中間層介質(zhì)脫空、松散接觸、充填地下水的視電阻率變化呈區(qū)域性規(guī)律分布,其中脫空狀態(tài)的視電阻率值大于密實狀態(tài),地下水對于視電阻率影響較大,在視電阻率異常變化中最為明顯。

(3)瞬變電磁法的視電阻率變化可用于判斷管片背后的接觸狀態(tài)。當(dāng)管片背后為脫空或松散接觸狀態(tài)時,視電阻率相對較高且增幅大,明顯大于密實狀態(tài),當(dāng)管片背后密實時,視電阻率曲線則較為平緩。

圖9 管片背后接觸狀態(tài)視電阻率變化特征

3 驗證試驗

3.1 試驗設(shè)計

選用盾構(gòu)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)環(huán)A型管片,驗證TER對于管片背后不同接觸狀態(tài)的測試效果,如圖10所示。管片厚度為30 cm,其配筋及測線平面布置如圖11所示。管片背后充填帶孔隙的水泥砂漿以模擬松散接觸狀態(tài),測線及測點布置如圖12所示。參考視電阻率計算情況,將常見管片背后不同接觸狀態(tài)按電阻率不同劃分成不同視電阻率曲線類型,可分為:①松散接觸狀態(tài):管片+水泥砂漿；②密實接觸狀態(tài):管片+土體；③脫空狀態(tài):管片+空氣。由于管片配筋為對稱結(jié)構(gòu),以上3種情況可在測線1的不同區(qū)段試驗。

試驗采用的TER參數(shù)為:發(fā)射天線為欠阻尼中心回線裝置；發(fā)射頻率6.25 Hz；電流波形為雙極性方波；供電電流10 A；占空比10%～20%；采用測量輪觸發(fā)；接收采樣頻率26 kHz,通道數(shù)330；24 Bit高精度采樣；測點間隔0.5～1 cm。視電阻率采用全期視電阻率公式計算,即式(3)。

圖10 模型試驗管片

圖11 管片配筋及測線平面布置圖(單位:mm)

圖12 管片背后接觸狀態(tài)分布圖(單位:mm)

3.2 管片自身的視電阻率特征

為了研究管片相同配筋情況下不同充填介質(zhì)的視電阻率曲線特征,首先對管片自身的視電阻率類型進(jìn)行研究。

利用測線1測試數(shù)據(jù)作等值線圖,并取管片厚度范圍內(nèi)(0～0.3 m)圖像,得到管片鋼筋分布的視電阻率影像圖,如圖13所示。圖中圓圈所指深色部分為視電阻率較低區(qū)域,鋼筋在視電阻率波譜中為向上的反射弧,圖中可清楚地看到鋼筋的分布,其分布的位置及個數(shù)與實際管片情況均相同。

圖13 TER視電阻率管片內(nèi)部鋼筋分布圖

利用TER測試測線1,提取視電阻率數(shù)據(jù)生成的三維影像圖，如圖14所示。圖14中沿測試深度方向第一層反映了管片配筋,圖中出現(xiàn)多處反射尖峰,切割同相軸的為鋼筋分布；第二層為管片鋼筋與背后介質(zhì)電阻率耦合響應(yīng)。提取測線長度方向管片任意點處瞬變電磁雷達(dá)視電阻率曲線剖面,如圖15所示。曲線第一層的視電阻率反映了管片內(nèi)部配筋情況,由于管片內(nèi)部多層鋼筋分布在欠阻尼裝置作用下,使得第一層視電阻率跳躍變化,隨后抬高再衰減進(jìn)入第二層介質(zhì)。

圖14 測線1視電阻率三維影像圖

圖15 測線1任意一點處視電阻率曲線特征

3.3 管片背后不同介質(zhì)異常特征

3.3.1 正演模擬計算結(jié)果對比

取測線1任意一點處的視電阻率與正演模擬計算結(jié)果同做對數(shù)處理并進(jìn)行對比,如圖16所示。由于正演模擬計算管片背后不同介質(zhì)時并未考慮管片內(nèi)部鋼筋影響,視電阻率曲線未有振蕩起伏?？傮w上,正演模擬計算結(jié)果與利用TER所得到的視電阻率變化趨勢較為相近,說明理論計算結(jié)果與實測結(jié)果相符。

圖16 TER測試數(shù)據(jù)與正演模擬計算結(jié)果對比

3.3.2 脫空狀態(tài)

為研究管片背后脫空狀態(tài)的視電阻率變化情況,未填充水泥砂漿時,提取測線1視電阻率測試數(shù)據(jù)做等值線圖,如圖17所示。由于第一層介質(zhì)管片有規(guī)則的配筋,因此,管片自身的TER瞬變電磁視電阻率有固定的異常特征。而第二層管片背后不同充填介質(zhì)的電阻率異常,通常為管片配筋和背后介質(zhì)異常的疊加耦合。

從圖17中可看出,對于③脫空狀態(tài):管片+空氣,由于空氣為高阻,其視電阻率疊加異常為相對高阻,TER視電阻率主要為管片配筋的異常響應(yīng),曲線呈對稱分布,特點為尖峰、陡立異常明顯。

圖17 測線1未充填水泥砂漿時TER視電阻率

提取測點1和測點3位置視電阻率數(shù)據(jù)對比,如圖18所示。管片背后脫空相對于密實接觸狀態(tài),其視電阻率曲線尾部較高且伴有震蕩,高阻異常往深部延伸較多。

圖18 管片背后脫空狀態(tài)與密實接觸狀態(tài)的視電阻率曲線對比

3.3.3 松散接觸狀態(tài)

為研究管片背后松散接觸狀態(tài)的視電阻率變化情況,將水泥砂漿充填于管片背后,信號特征變化如圖19所示。圖19中深色部分視電阻率相對較高。

從圖19中可明顯看出松散和密實接觸位置,對于①松散接觸狀態(tài):管片+水泥砂漿,由于水泥砂漿為低阻,其視電阻率疊加異常為低阻,管片長度方向0.5 m附近,TER視電阻率為耦合低阻異常；對于②密實接觸狀態(tài):管片+土體,其電阻率高低取決于土體的含水量,本次試驗土體視電阻率略低,其視電阻率疊加異常為相對低阻,圖中管片長度方向1.3 m附近,TER視電阻率為相對低阻異常,曲線變化較為緩慢。

3.4 管片背后接觸狀態(tài)視電阻率信號特征

為使視電阻率變化規(guī)律更為明顯,忽略測線管片內(nèi)鋼筋影響,提取測點1、測點2、測點3視電阻率數(shù)據(jù),對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑處理,見圖20。從圖20中可以看出,管片背后不同接觸狀態(tài)的視電阻率變化不同,接觸狀態(tài)的視電阻率從大到小依次為:脫空、松散、密實。當(dāng)中間層介質(zhì)內(nèi)有空氣時,如脫空、松散接觸情況下,視電阻率尾部有明顯振蕩?？傮w上,管片背后接觸狀態(tài)的視電阻率信號有如下特征:

(1)管片背后完全脫空,其視電阻率剖面圖主要反映管片內(nèi)部鋼筋分布,異常往往對稱規(guī)則分布,曲線陡立、尖峰,高低變化較快。相對于密實狀態(tài)第二層視電阻率曲線尾部視電阻率較高,高阻異常往深部延伸較多,振蕩明顯。

圖19 測線1充填水泥砂漿時TER視電阻率(單位：Ω·m)

(2)管片背后松散接觸狀態(tài)介于密實和脫空狀態(tài)之間,視電阻率曲線由于耦合低阻異常,變化相對平緩,但同樣受到中間層空氣的影響,尾部視電阻率易有振蕩。

(3)在實際地鐵管片檢測時,應(yīng)針對相同類型管片進(jìn)行異常比較,只要找出同類管片中相對視電阻率高的部位,通常就是管片背后有脫空處。相反,同類管片中相對視電阻率低,就是管片背后密實處。

圖20 測點圓滑處理對比圖

4 工程應(yīng)用

為驗證TER在實際工程中的檢測效果,在廈門地鐵2號線長翁隧道中對盾構(gòu)管片背后接觸狀態(tài)進(jìn)行檢測。隧道全線長900 m左右,管片襯砌環(huán)由1個封頂塊(C型),2個鄰接塊(B型),3個標(biāo)準(zhǔn)塊(A型)組成,管片環(huán)與環(huán)之間基本采用錯縫拼裝方式相連接,管片設(shè)計厚度為0.3 m。TER測線L1沿隧道走向布置于拱腰位置處,取0～48環(huán)管片檢測結(jié)果進(jìn)行研究,如圖21所示。

根據(jù)管片拼裝方式,TER沿長翁隧道拱腰部位測線測試中所經(jīng)過的盾構(gòu)管片類型由A型和B型組成。圖21中TER檢測結(jié)果顯示了兩種類型管片的視電阻率變化情況。由于管片內(nèi)部配筋等存在差異,A型和B型管片呈現(xiàn)出不同視電阻率變化形式。將同類型管片進(jìn)行比較,依據(jù)視電阻率在管片背后不同接觸狀態(tài)中的變化規(guī)律分析可知,管片接觸良好狀態(tài)的視電阻率變化正常如圖21(a)中22～23環(huán)(黑色方框)所示。與之對比,電阻率異常往深度方向延伸越長,且尾部電阻率伴隨有振蕩,如測線L1第2、4、9環(huán)所示,可初步判斷為管片背后接觸不良,接觸狀態(tài)介于脫空與密實之間。受空氣影響,異常往往呈對稱規(guī)則分布,曲線陡立、尖峰,高低變化較快,如測線L1第13、36環(huán)的異常信號可判斷為脫空狀態(tài)。

圖21 TERL1視電阻率圖譜

根據(jù)TER測試結(jié)果,對第36環(huán)附近拱腰位置處進(jìn)行鉆芯取樣驗證,如圖22所示,取樣結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在約10 cm脫空,與測試結(jié)果定位較為相符。TER可滿足工程應(yīng)用的精度要求,測試應(yīng)用及鉆芯結(jié)果說明了利用TER對隧道管片背后接觸狀態(tài)檢測的有效性,以及通過視電阻率變化規(guī)律對于判斷接觸狀態(tài)具有可行性。

圖22 現(xiàn)場取芯驗證

5 結(jié)論

通過研發(fā)利用瞬變電磁法原理計算視電阻率變化來識別管片背后接觸狀態(tài)的雷達(dá)采集裝置系統(tǒng)——瞬變電磁雷達(dá)系統(tǒng)(TER),并利用正演模擬計算、模型試驗,現(xiàn)場實測技術(shù)手段,對儀器有效性及視電阻率變化規(guī)律進(jìn)行了研究和總結(jié),結(jié)果表明:

(1)管片背后不同接觸狀態(tài),中間層介質(zhì)脫空、松散接觸、充填地下水的視電阻率變化呈區(qū)域性規(guī)律分布,其中脫空狀態(tài)的視電阻率值大于密實狀態(tài),地下水對于電阻率影響較大,在視電阻率異常變化中最為明顯。

(2)根據(jù)管片背后充填不同介質(zhì)的視電阻率變化有不同的特征,說明利用瞬變電磁雷達(dá)探測隧道管片背后脫空的方法是可行的。同時,瞬變電磁雷達(dá)也可檢測管片內(nèi)部鋼筋分布情況。

(3)通過在長翁隧道中的應(yīng)用測試,說明瞬變電磁雷達(dá)可以對管片背后接觸不良或脫空部位進(jìn)行有效定位,能夠滿足實際檢測工程的精度要求,但是對于脫空部位厚度判斷需進(jìn)一步的研究完善。

(4)瞬變電磁雷達(dá)功率大、頻率低、擬地震波譜的處理解釋以及無損快速探測有望解決隧道管片背后脫空檢測的難題,這將揭開瞬變電磁法在混凝土結(jié)構(gòu)探測中新的應(yīng)用方向。但由于試驗數(shù)據(jù)有限、數(shù)據(jù)處理及成像方法還需要改進(jìn),針對管片背后脫空的量化問題也有必要進(jìn)行更加深入的研究,為了將檢測的效果更明顯、易讀判,后續(xù)還有大量的基礎(chǔ)性研究、更多的工程驗證需要完善。