DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.02.015

基于天线收发距的盾构壁后注浆雷达探测试验研究

胡盛斌^{1, 2}，徐国元¹，马富安³，唐甫³，容继盘⁴，钟有信²

(1. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州，510641；

2. 南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁，530029；

3. 广西有色勘察设计研究院，广西 南宁，530031；

4. 南宁市建筑质量安全管理中心，广西 南宁，530022)

摘要：为提高地质雷达在盾构管片壁后注浆探测的准确性，建立全尺寸盾构管片环试验平台，采用聚氯乙烯管模拟盾构管片壁后注浆空洞缺陷；通过电磁波理论分析计算和试验平台雷达探测效果验证，在选择合适的中心频率天线的基础上，采用一种简易可行的增设天线垫块方式优化天线收发距。研究结果表明：不同含钢量管片的电性参数差异不大，但不同凝结时间的注浆层浆液与管片、围岩的电性参数(相对介电常数、电磁波波速等)存在一定的差异；管片钢筋网多次反射信号与注浆层反射信号重叠是造成地质雷达信号难以判译的主要原因；天线收发距参数优化方法能有效提高电磁波的一次辐射场强而压制多次反射场强，从而提高注浆层反射波信号分辨率。

关键词：天线收发距；地质雷达；盾构管片；盾构壁后注浆

中图分类号：U455.43             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)02-0360-08

Experimental study on antenna spacing of ground penetrating radar detection of grouting material behind shield segment

HU Shengbin^{1, 2}, XU Guoyuan¹, MA Fuan³, TANG Fu³, RONG Jipan⁴, ZHONG Youxin²

(1. School of Civil Engineering and Transportation,

South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;

2. Nanning Rail Transit Co., Ltd, Nanning 530029, China;

3. Guangxi Nonferrous Survey and Design Institute, Nanning 530031, China;

4. Nanning Construction Quality and Safety Management Center, Nanning 530022, China)

Abstract: To improve accuracy of GPR (ground penetrating radar) detection for grouting material behind shield segment, the full-sized test platform of shield segment ring for GPR detection was established, and polyvinyl chloride (PVC) pipes were used to simulate the void defects after grouting. Through large amount of analysis and calculation about electromagnetic wave theory and verification of GPR in test platform, a simple and feasible method of installing a antenna cushion was used to optimize antenna spacing on the basis of choosing a proper center frequency antenna. The results show that for segment with different steel contents, the difference in electrical parameters is not obvious, but there exist differences in electrical parameters(relative permittivity, electromagnetic wave velocity etc) between grouting slurry with different setting time, segments and surrounding rocks. Difficulty in the analysis of GPR detection can be caused by overlapping between the multiple reflection signal of shield segment steel and the reflection signal of grouting layer. Parameter optimization of antenna spacing enhances the strength of the first-time reflection signal and suppress the strength of the second-time reflection signal. Thus, resolution of the reflection signal of grouting layer is improved.

Key words: antenna spacing; ground penetrating radar; shield segment; grouting material behind shield segment

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，具有结构松散、黏聚力低、透水性强、卵砾石多、单个卵石强度高、受到机械开挖扰动后容易产生颗粒流动等特点^[1-2]。由于盾构掘进对砂卵石地层的扰动、地下水变化等不利因素的作用，隧道围岩容易产生空洞、不密实、松散层等地层构造缺陷，尤其是当盾构施工参数控制不当时，极易出现超量出渣、螺旋输送机喷涌、刀盘刀具磨损严重、开仓换刀频繁等异常情况，势必加剧地层构造缺陷，诱发地表塌陷等严重问题，因而，及时开展同步注浆并保证注浆质量，探索及时、快速、可靠的注浆效果探测方法，以期尽早发现盾构壁后注浆缺陷，采取针对性处理措施，预防或避免由缺陷诱发的城市地质灾害的发生，成为盾构隧道工程领域的研究热点。国内外研究人员探索运用地质雷达探测隧道注浆层质量，从理论到实践都取得了一系列成果^[3-7]。夏才初等^[8]指出了地质雷达天线中心频率、发射-接收天线间距选择的重要性；刘敦文等^[9-10]研究了地质雷达在地下岩土介质中的传播与衰减规律、成像特征等理论及其应用；戴前伟等^[11-12]利用时域有限差分法(FDTD)和偏移技术提高了雷达正演的分辨率；黄宏伟等^[13-17]结合室内模型试验、现场试验以及数值分析结果，验证了地质雷达应用于隧道壁后注浆质量检测的有效性；刘海等^[18]运用同轴探头法对上海盾构隧道穿越土层原状土进行介电常数和含水率测试，分析了介电常数与含水率之间的关系；叶琛^[19]提出地质雷达的探测性能和测量参数公式，分析了地质雷达电磁波的传播特性；赵永辉等^[20]提出了钢筋散射波场去除方法，从强散射背景中提取出注浆缺陷的反射波；王志高等^[21]运用希尔伯特-黄变换(HHT)进行壁后注浆正演模拟，有效滤除干扰杂波，提取出雷达图像中的微弱异常信息；吴丰收等^[22]指出钢筋的屏蔽干扰、多次波极易造成无法判释或误判，提出高阶时间域有限差分法和F-K偏移算法模拟双层钢筋网定位、缺陷探测，有效压制了钢筋多次波，突出了有效信号；曾琛超等^[23]采用GPRMax2D软件进行正演模拟，应用一致性消除法处理模拟数据，有效压制了钢筋多次波；张军等^[24]分析了VV和HH 极化方式的散射特性和病害图谱特征，采用F-K偏移算法还原了钢筋层下部病害。然而，从天线收发距参数优化入手开展盾构管片壁后注浆层缺陷探测的研究几乎未见报道。为此，本文作者利用盾构管片试验平台开展地质雷达探测研究，测定目标介质的电性参数；在近似简化处理和理想化模型的基础上提出一种天线收发距的优化方法，并对比天线收发距优化前后的地质雷达探测的准确性，以期为类似工程提供参考。

1  试验平台

图1所示为按1:1比例设计建造的盾构管片环试验平台(其中f为直径)。该平台采用南宁市轨道交通1号线工程某区间隧道的盾构管片和同步注浆材料，该盾构管片环由1块为封顶块、2块邻接块和3块标准块组成，其外径为6.0 m，内径D为5.4 m，壁厚为0.3 m，环宽为1.5 m，管片混凝土强度为C50，抗渗等级为P12。在场地的圆砾地层开挖1个圆形基坑，盾构管片分块吊装成环，并装好管片螺栓，形成1个完整的盾构管片环；管片壁后建筑空隙为20~35 cm。分别在建筑空隙处预埋直径为50，100，160和650 mm的聚氯乙烯(PVC)单管和多管模拟注浆空洞缺陷，管长略大于管片环宽，并能模拟空洞缺陷充水与未充水的情况。另外，由于受场地条件限制，管片环外侧紧临一处钢筋混凝土管道，可以作为地下管线的探测目标体。

图1  试验平台示意图

Fig. 1  Sketch map of test platform

2  天线收发距参数优化

天线是地质雷达系统中的一个关键部件。天线必须具有高辐射效率、大的相对带宽、高保真度、低旁瓣等特性^[7]。地质雷达系统中的超宽带天线主要有2类，即介质耦合天线和空气耦合天线，其中，介质耦合天线包括蝶形宽带天线、螺旋形天线、棒形偶极子天线等。目前，商业地质雷达多采用屏蔽方式的介质耦合天线，天线收发距固定不可调。

考虑到管片钢筋网的屏蔽干扰与反射波信号重叠的影响，为使接收到的注浆层反射波信号处于雷达反射信号较强的区域，提高电磁波的一次辐射场强而压制多次反射场强，从而提高注浆层反射波分辨率^[25]，在地质雷达信号数据处理之前就能直接获得真实有效的数据，可以通过以下简易可行的方法达到天线收发距参数优化的目的。

对于均匀半空间表面水平谐变电偶极子的辐射场，当水平电偶极子源位于地面时，其上半空间任意一点的辐射场强E⁽⁰⁾计算公式^[4]为

  (1)

式中：ω为电磁波的角频率；μ₀为媒介质的磁导率； k₀为空气中的波数，(其中ε₀为真空中的介电常数)；p为源的电偶极矩；r为源到测点的距离；θ₀为电磁波的入射角；n₀₁为媒介质的折射率, (其中k₁为大地中的波数；ε_r为大地的相对介电常数，，ε₁为媒介质的介电常数)。

由式(1)可得到半空间的偶极子天线辐射方向图。若把水平电偶极子源视为紧靠界面的下半空间介质中，地下介质成为入射介质，空气为透射介质，将式(1)中k₀换成k₁，则有；将n₀₁换成n₁₀， 则有，由此可得到下半空间任意一点的辐射场强E⁽¹⁾为

  (2)

图2所示为利用式(1)和式(2)计算得到地表面上偶极子天线在主剖面中的辐射场方向图。当时，辐射场E⁽¹⁾有极大值，此时，θ₀是从地下介质入射到界面上发生全发射的临界角，具有最大的辐射场强。表1所示为相同探测深度的最大辐射场强范围及天线收发距。

图2  地表面上偶极子天线在主剖面中的辐射场方向图^[3]

Fig. 2  Radiation patterns in the main section for dipole antenna on the surface of a dielectric half-space^[3]

由图2可见：以偶极子天线正下方为中心的一定张角范围内的辐射场较强，形成天线对地下介质的有效照射区域，在此区域内的目标探测体可产生较明显的反射。同时，由于管片与注浆层电性参数差异不大，可近似简化为同一介质，其介电常数多为10.0~12.0。要使注浆层外界面雷达反射波信号最强，反射信号被接收天线所接收，结合表1中的结果，可知天线收发距取值为5~10 cm。

表1  相同探测深度下最大辐射场强分布范围及天线收发距

Table 1 Range of maximum radiation field and the corresponding antenna spacing at the same detection depth

目前，商用地质雷达屏蔽天线中心频率为200~900 MHz的收发距一般设置为16~25 cm，为使天线收发距最优从而提高可分辨率，忽略直达波信号、外部干扰信号的影响，选择厚度为15~30 cm的空心木盒或介电常数接近于空气的无磁材料(如泡沫塑料)作为垫块，固定于天线底面上，检测时可以使天线底面与管片表面保持一定距离，则位于管片表面的电磁回波路径的三角形底边边长可近似认为是等效的天线收发距。天线收发距优化示意图如图3所示。

图3  天线收发距优化示意图

Fig. 3  Schematic diagram of antenna spacing optimization

由相似三角形定理可知：

               (3)

             (4)

式中：L₀为固定的天线收发距；L′为等效的天线收发距；s为垫层的厚度；h为管片表面至注浆缺陷的距离。

3  介质电性参数测定

本文选用多个品牌型号的地质雷达以及对应的高、中、低频的天线进行对比测试，经比较后选用意大利RIS-K2-FW型地质雷达及其配备的频率为200，400，900 MHz的天线，由于低频天线比高频天线探测深度更深，天线抗干扰性能力较强，电磁波能量衰减较小，电磁波信号相对更加稳定。故本文选择频率为200和400 MHz天线作为雷达探测试验研究的主要天线。

在介质电性参数正式测试前，采用不同频率天线测定空气的电磁波波速，以检验仪器系统性能。

3.1  围岩

采用间接测试法测试围岩电性参数。本文选用频率为200 MHz的天线测试厚度为70 cm的富水圆砾层，该地层为第四系上更新统冲积层()圆砾，呈灰色、灰褐色，局部呈灰黄色。成分以石英岩、硅质岩为主，不均匀分布有质量分数为5%~10%的中粗砂和黏性土，以砾石为主，含质量分数为10%~35%的卵石，卵石一般粒径为2~6 cm，最大粒径达8 cm；分选性较差，磨圆度较好，以次圆状为主；呈饱和，稍密至中密状态。

沿地表用洛阳铲垂直开挖宽为5 cm、深为1 m的沟槽，并埋入钢板作为雷达识别目标反射层，测试数量不少于3组，取平均值作为该围岩电性参数代表值。对实测的典型雷达图像进行分析与计算，得到钢板反射时间约为18 ns，富水圆砾层电磁波波速为77 km/s，其相对介电常数约为15.18。

3.2  管片

本文选取南宁市轨道交通1号线工程的4种型号管片(共92块)进行测试。将管片竖直放置在空旷的地面，避免平卧放置时的地面反射而产生干扰，分别采用频率为200和400 MHz屏蔽天线测试，取平均值为该型号管片电性参数的代表值。不同型号混凝土管片电磁波波速见表2。由表2可以看出：频率为200 MHz的天线测定的电磁波波速为97.4~100.1 km/s，频率为400 MHz的天线测定的电磁波波速为116.5~119.3 km/s，频率为400 MHz的天线测定的管片电磁波波速比频率为200 MHz天线的大，而相同频率天线测试的管片电磁波波速非常接近。因此，尽管不同型号管片含钢量有所不同，但不同含钢量管片的电性参数差异不大，这些相对固定的管片电性参数为盾构管片壁后注浆质量雷达探测提供了相对稳定的参照依据。

表2  不同型号混凝土管片电磁波波速

Table 2  Electromagnetic wave velocity of different concrete segments

3.3  同步注浆材料

制作长度为100 cm、宽度为50 cm、厚度为25 cm的砂浆模型试块共9块，将其分为3组，分别采用频率为200和400 MHz屏蔽天线测试在浆液充填后的1/8，1，7，14，28 d的电磁波波速、相对介电常数，取其平均值作为砂浆电性参数代表值，每立方米同步注浆所用的材料参数见表3。注浆层的电磁波波速和相对介电常数随龄期的变化分别见图4和图5。

由图4和图5可见：该浆液总体的电性参数在7 d后逐渐趋于稳定，频率为200 MHz的天线测试的电磁波波速比频率为400 MHz天线的小，而频率为200 MHz的天线测试的相对介电常数比频率为400 MHz天线的大，这些电性参数特征为管片壁后注浆质量探测时机提供了参考依据。

表3  每立方米同步注浆材料参数

Table 3  Material parameters for synchronous grouting per cubic meter            kg

图4  注浆层电磁波波速随龄期的变化

Fig. 4  Change of electromagnetic wave velocity of grouting layer with age

图5  注浆层相对介电常数随龄期的变化

Fig. 5  Change of relative permittivity of grouting layer with age

4  试验结果分析与讨论

4.1  试验结果分析

图6所示为试验平台分别经频率为200 MHz和400 MHz的天线收发距优化前后的雷达探测试验平台盾构管片壁后注浆效果对比图。盾构管片壁后注浆层浆液凝结时间已超过28 d，地质雷达探测沿管片环内壁布设水平环向测线。

由图6可见：当直接采用频率为200 MHz的屏蔽天线探测试验平台注浆缺陷时，管片多次反射信号与注浆层反射信号重叠，表现为低频信号特征，虽然可以判断大尺寸缺陷(壁后空洞、混凝土管道)，但难以判别单个空洞缺陷，特别是注浆层缺陷探测效果并不理想；频率为200 MHz的屏蔽天线经收发距优化后等效天线收发距为8 cm，注浆层反射信号明显增强，管片多次反射信号幅度减弱，反射频率相比优化前有明显提高，分辨率也相应提高，注浆层反射界面清晰可见，试验平台内预设的直径不小于100 mm空洞及混凝土管道的位置和大小清晰可见，但对直径为50 mm空洞缺陷的探测效果不明显；经收发距优化的频率为400 MHz的天线与频率为200 MHz的天线探测精度和效果接近，可以满足注浆层质量缺陷探测精度要求。因此，在富水圆砾层盾构隧道管片壁后注浆质量探测中，天线收发距的合理选择是地质雷达探测成功的关键。

4.2  讨论

目前市场上常见的天线为一体化介质耦合屏蔽天线，在盾构管片壁后注浆探测应用中直接应用此类天线难以得到精度较高的结果。考虑到辐射场强公式是基于平面波反射理论得到的理想化模型，实际情况要复杂得多，如盾构隧道为圈闭空间，内部干扰源(电缆线、金属管道、管片连接螺栓等)较多，测线布设、注浆缺陷含水状况等因素都会对地质雷达探测准确性有一定影响，故在实际应用中，应结合现场试验效果选择合适的天线收发距或优化天线收发距参数设置，进一步研究地质雷达采样参数设置、各种类型天线频率及天线收发距的最优组合，并通过大量的室内试验和工程案例，获得盾构隧道管片壁后注浆各种缺陷的典型雷达探测图谱，辅以其他的方法(如钻芯法、浅层地震法等)相互验证，探索盾构隧道管片壁后注浆质量探测的最佳效果。

图6  试验平台经天线收发距优化前后的GPR探测效果对比图

Fig. 6  Contrast images of GPR detecting for test platforms before and after antenna spacing optimization

5  结论

1) 不同含钢量管片的电性参数差异不大，但不同凝结时间下盾构管片壁后注浆层的浆液、管片与围岩的电性参数存在一定的差异，这些介质的电性参数特征为地质雷达准确探测盾构管片壁后注浆效果提供了前提条件。

2) 盾构管片钢筋网多次反射信号与注浆层反射信号重叠是造成地质雷达探测信号难以判译的主要原因，采用天线收发距参数优化的方法，能有效提高电磁波一次辐射场强而压制多次反射波场，明显提高注浆层反射波的分辨率。

3) 合理选择天线收发距是富水圆砾层盾构隧道壁后注浆探测成功的关键，适用于南宁富水圆砾层盾构隧道管片壁后注浆质量雷达探测的天线收发距参考值为5~10 cm。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2018-05-16；修回日期：2018-07-16

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51508200，51078151)(Projects(51508200, 51078151) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：徐国元，博士，教授，博士生导师，从事城市轨道交通、隧道及地下工程等研究；E-mail：gyxu@scut.edu.cn