曹绮雯

(深圳市东江水源工程管理处，广东 深圳 518000)

东江水源工程部分隧洞受历史原因、内外界条件变化等多方面因素的影响，在近年不断地暴露出一些问题，且呈快速增长的趋势，主要体现在隧洞衬砌开裂、底板大面积损毁、围岩破碎及混凝土内部密实性差等安全问题出现加重趋势，工程已建立一套适合东江输水隧洞特点的隧洞补强加固与缺陷处理技术体系，如钢拱架加固、粘贴钢板加固、横撑加固等[1- 3]，维护了隧洞群的稳定。

水工隧洞回填灌浆可使混凝土衬砌与围岩紧密结合，是确保隧洞安全运行的重要措施之一，东江水源工程停水检修期间期限紧张，为提高后续日常维护管理服务的效率和智能化水平，开发快速、高效的隧洞灌浆质量地质雷达技术，可提高灌浆质量检测精度，扩大检测范围，提高检测效率。本文通过现场GPR检测技术试验、物理模型试验和基于GPRMAX2D的正演模拟数值模拟分析，建设雷达标准图像库和多参数样本特征库，研究灌浆后雷达图像与无缺陷区雷达图像的相似度，确定各类缺陷灌浆质量合格阀值，为灌浆质量快速无损检测提供技术指导，提高东江水源工程的运行可靠性与安全性。

1 工程隧洞群概况与性能现状

输水隧洞是东江水源工程的主要建筑物及重要设施，全线共有隧洞17座，总长74.3km，其中：无压隧洞12座，总长66.8km；有压隧洞5座，总长7.5km。各条隧洞的工作环境(有压/无压)、断面形式(圆形/城门洞形/马蹄形)、衬砌结构形式(素混凝土/钢筋混凝土)、轮廓尺寸、衬砌结构的具体组成及设计参数等复杂且多样，见表1。东江引水工程输水隧洞群自建成通水以来，已运行近20年，隧洞群的形态呈现逐步老化的趋势，各类缺陷将快速增长，因历史原因、现状改变等产生的问题将逐步快速凸显。本文以永湖隧道和长岭陂隧洞为分析对象，统计分析其性能缺陷。

由于受停水检修期限(不超过一个月)限制，目前当年灌浆工作质量一般只能在下一年度由钻孔抽芯、注水(浆)试验来检查，这些传统检测方法虽然已被证明具有一定的科学性，在一些工程项目中亦仍在使用，但仍存在一些不足之处：

(1)受制于钻孔布置的主观性，灌浆差的地方可能没被揭示，检测成果存在偶然性。

(2)受制于“一孔之见”，使得检测成果存在局限性。

(3)不能及时发现灌浆质量问题，及时提出改进措施(只能在下一停水周期进行检测)。

(4)检测速度慢，使得业主不能及时对灌浆工作质量作出评价，影响了灌浆处理工程验收，不利于整治工程项目管理。

表1 隧洞主要缺陷统计表

(5)在已灌浆整治处重新钻孔检测，对隧洞造成新的损坏，如封孔质量差，可能会出现新的安全隐患。

2 灌浆质量探地雷达现场检测与正演模拟分析

2.1 现场GPR试验分析

探地雷达(GPR)技术[4- 6]主要基于不同介质电磁属性方面的差异对检测对象质量作出评价，其工作原理如图1所示。

图1 探地雷达工作原理图

工程停水检修期间，在永湖隧洞(K36+190—K37+000)、长岭陂隧洞(K102+600—K104+695)、进行现场数据采集，布置5条测线(拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙)，灌浆前采集1次，灌浆后采集1次，天线中心频率500MHz和1000MHz。分析灌浆后地质雷达图像变化特征、相似度特征如图2所示。

图2 隧洞纵向地质雷达测线布置示意图

对长岭陂隧洞、永湖隧洞开展了现场试验，衬砌缺陷灌浆前、灌浆后各采集数据1次，现场试验雷达图像如图3所示。

2.2 正演模拟分析

本阶段通过建立不同衬砌缺陷理论模型，研究空洞尺寸对反射波组特征的影响，并且基于时间域有限差分法采用GPRMAX2D软件对试验模型进行数值模拟分析[7]，将数值模拟的结果与试验模型检测的雷达波组图进行对比验证并加以分析。通过模型试验和模拟研究，考虑隧道衬砌素混凝土区空洞及空洞尺寸大小及埋深因素对雷达检测的影响，综合分析了其雷达检测图像的特征，为衬砌背后病害的现场检测提供更丰富的辨识依据。

FDTD算法[8- 9]具有直接时域计算、计算程序的通用性、节约存储空间等特点，为地质雷达正演数值模拟计算的首选方法。综合考虑计算时间和试验验证按要求，通过GPRMAX2D软件对试验模型空洞缺陷做进一步的二维数值模拟，与试验实测数据进行对比分析。试验模型为二维平面形式，网格步长Δx=Δy=0.0025m，时间步长Δt=5.896ps，迭代次数4239次，考虑时窗和中心频率。激励源用Ricker子波模拟，频率为500MHz；吸收边界条件依软件默认设置。发射天线与接收天线位于距离混凝土表面0.0025m处，天线步长为0.01m，计算步数为600。混凝土相对介电常数分别为6.0，电导率为0.01。对于500MHz天线，时窗设置为20ns。

图3 长岭陂隧洞、永湖隧洞衬砌缺陷灌浆前、灌浆后地质雷达图像

通过建立不同衬砌缺陷理论模型，研究空洞形状、尺寸、埋深对空洞反射波组特征的影响。分别对衬砌无缺陷、5cm空洞、10cm空洞、15cm空洞、20cm空洞、25cm空洞、30cm空洞、35cm空洞8种情况进行正演模拟，正演模拟结果如图4所示。

根据正演模拟数据，雷达反射波幅度、范围与空洞缺陷尺寸大小成正比。综上根据正演模拟数据、现场试验数据，地质雷达检测衬砌缺陷灌浆质量是有效的，地质雷达图像能反应衬砌缺陷灌浆质量情况，且具有无损、高效等特点。

3 物理模型试验分析

3.1 物理模型设计与数据采集

在室内构建物理模型，人工控制灌浆质量，采集对应的地质雷达数据，分析不同灌浆质量地质雷达图像特征、相似度特征。物理模型设计如图5所示，物理模型设计如下：

(1)墙体尺寸长10m×高2m×厚度0.6m。

(2)分两层浇筑，上层1m不铺设钢筋(素混凝土墙体)，下层1m铺设钢筋铸模。

(3)缺陷尺寸长0.6m×高2m×厚度0.2m。

(4)浇筑2个缺陷，缺陷1靠内侧，缺陷2位于混凝土中。

(5)墙基开挖0.4m深，墙趾前、后各凸出0.6m，墙基尺寸长10m×宽1.8m×高0.4m，墙基配钢筋。

(6)钢筋配置：竖向钢筋φ16@20，水平向钢筋φ10@20，双层钢筋铺设。

本对预留2个空洞进行回填灌浆处理，人工控制灌浆效果。左侧空洞回填灌浆情况：深度0～0.8m未回填灌浆、0.8～1.3m回填灌浆100%混凝土、1.3～2.0m回填建筑垃圾(安全帽、水瓶、碎石渣、金属等)。右侧空洞回填灌浆情况：深度0.0～0.6m未回填灌浆、0.6～1.36m回填灌浆82%混凝土、1.32～2.0m回填灌浆100%混凝土，地质雷达测线统计见表2。

表2 地质雷达测线统计表

对模型空洞进行地质雷达检测，天线频率500MHz和1000MHz，灌浆前、灌浆后各采集一次，以1A- 1B、4A- 4B、5A- 5B和6A- 6B测线为例，物理模型试验雷达图像见表3。

图4 不同衬砌缺陷正演模拟图

表3 模型试验灌浆前、灌浆后地质雷达图像

图5 物理模型设计图

可以看出根据人工控制不同灌浆效果的物理模型试验数据，不同灌浆效果的地质雷达图像相似度值有差别，相似度值跟灌浆质量成正比，后续利用雷达图像相似度判断灌浆质量是否合格是有效的。

3.2 地质雷达图像相似度分析

采用基于SIFT算法[10]的雷达图像相似度软件有针对性地选取这些图像智能识别算法与标准图像库的进行比对，从而判断出灌浆后雷达图像与标准图像差异的位置、特征，并计算出图像的相似度。对永湖隧洞衬砌缺陷、长岭陂隧洞衬砌缺陷、物理模型混凝土空洞缺陷灌浆后进行地质雷达图像相似度分析，灌浆合格情况下地质雷达图像相似度值分布于区间86%～97%，灌浆不合格情况下地质雷达图像相似度值[11]分布于区间53%～79%，具体情况见表4。

表4 缺陷灌浆地质雷达图像相似度值

通过各类缺陷灌浆质量合格和不合格(可根据需要按灌浆程度细分成几种不同的工况)的正演模型计算、物理模型试验、实际灌浆现场试验，确定各类缺陷灌浆质量合格的雷达图像相似度阀值[12- 13]。并将该阈值作为判定缺陷处理后雷达检测结果的检验标准，采用如下标准值计算公式进行计算：

φk=γsφm

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,φk—标准值；φm—平均值；γs—统计修正系数；σf—标准差；δ—变异系数。

根据上述标准值计算公式，对灌浆合格情况下的地质雷达相似度值进行统计分析，计算值为φm=93%，σf=0.029，δ=0.031，γs=0.986，φk=0.915。对灌浆合格区域相似度值进行统计分析，灌浆合格相似度阈值为91.5%。

4 结论与展望

本文以东江水源工程永湖隧道和长岭陂隧洞衬砌缺陷为研究背景，将探地雷达检测技术应用于隧洞灌浆质量检测中。结果显示：

(1)根据物理模型试验数据、正演模拟数据、现场试验数据，地质雷达检测衬砌缺陷灌浆质量是有效的，地质雷达图像能反映衬砌缺陷灌浆质量情况，且具有无损、高效等特点。

(2)根据人工控制不同灌浆效果的物理模型试验数据，不同灌浆效果的地质雷达图像相似度值有差别，相似度值跟灌浆质量成正比，利用雷达图像相似度判断灌浆质量是否合格是有效的。

(3)根据物理模型混凝土空洞缺陷、永湖隧洞衬砌缺陷、长岭陂隧洞衬砌缺陷灌浆后地质雷达图像相似度值，灌浆合格情况下地质雷达图像相似度值主要分布于区间86%～97%，对灌浆合格区域相似度值进行统计分析，灌浆合格相似度阈值为91.5%。

目前，东江水源工程沿线隧洞群运行状态虽基本稳定，但由于外界不利条件的不确定性和隧洞形态的逐渐老化，部分缺陷或会持续恶化，因此需针对已加固洞段进行长期检测，以把握隧洞的运行性态和充分探究各类加固方式长期工作可能出现的问题及解决方案。