文档介绍：隧道衬砌混凝土空洞的雷达探测研究-科技创新论文
隧道衬砌混凝土空洞的雷达探测研究
隧道衬砌混凝土空洞的雷达探测研究
孙庆合
(银川能源学院,宁夏银川 750015)
[摘要]隧道衬砌混凝土背后容易出现空洞,进而影响整个隧道的结构安全。本文针对隧道衬砌混凝土空洞的特点,使用Vivaldi雷达天线对该类型空洞进行分析和仿真实验研究,结果表明,该探地雷达适宜探测隧道衬砌背后存在的空洞,其发射天线和接收天线的互耦作用在数据处理的过程中可以消除掉;钢筋间距较密时,雷达天线系统的效率也会下降。
[ 关键词 ]隧道;衬砌混凝土;空洞;探地雷达
0前言
公路和铁路隧道在使用混凝土进行衬砌过程中,由于施工作业环境的复杂性或施工管理不善造成隧道衬砌背后出现较大空洞,这对衬砌隧道的结构安全埋下了隐患,因此有必要及时隧道衬砌进行空洞检测,以采取应对措施,预防安全事故的发生。目前,对空洞的检测主要采用探地雷达,探地雷达在使用过程中,其特性会受到地层特性和地下媒质中的异常体的影响,地层特性中对雷达天线特性影响较大的因素主要是介电常数和电导率;同时地层中会存在各种各样的异常体,其中金属对探地雷达的影响最大,因此本文首先对这些因素的影响进行研究分析。
1地层特性对雷达天线辐射场的影响
探地雷达的探测目标为地层或者各种结构物,如混凝土结构等,而地层和混凝土等会对天线的辐射方式产生影响,因此在进行天线设计时,也需要考虑地层和天线之间的相互作用。本文以Vivaldi雷达天线为例进行分析,该天线H平面(YOZ平面)在空气和地层中的电场分布示意图。天线位于地层上方高度h=3cm处,地层的相对介电常数?棕?酌=5,电导率?滓=0S/m,采用时域有限差分法(FDTD)进行模拟,模拟时频率为f=1GHz。其物理意义可以解释如下(图1):电磁波在空气和地层中呈球状进行传播,并且传播速度不同,由于传播速度的差异,在空气和地层分界面上会产生折射现象。由于电场和磁场的能流密度是连续的,电场和磁场分布也是连续的,所以在边界面上会产生侧面波,且侧面波与边界面的夹角即为折射临界角(?兹=38°)。侧面波在空间呈圆锥状分布,开始于地层波的切线处,止于地层空气分界面,侧面波则可以视为空间波的波前。地层波的波前则为图中所示的衰减波,衰减波较难观测到,因为其在空气中会以指数形式衰减,因此只能在地层上方很小范围内可以探测到。
由于探地雷达天线辐射场存在于损耗媒质中,辐射场强度随着传播距离的增大迅速衰减,利用天线辐射远场分布来描述天线的方向性并不太合适,而且,探地雷达的探测深度一般也仅在几倍波长到十几倍波长,并不一定在工作在天线的远场范围。因此,在分析时除了分析天线的远场特性外,还应分析距天线一定距离的地层内的近场分布来观察天线的方向特性。由于本文使用天线用于隧道衬砌及背后空洞的检测,而隧道衬砌厚度一般不超过65cm,再加上喷射混凝土厚度一般为20cm左右,因此本文在分析近场特性时,取天线下方厚度约90cm(因分析时频率设置为1GHz,波长?姿=30cm,90cm即为3?姿)范围内地层的场分布进行分析。
2地下媒质中异常体对电磁波的散射
雷达天线的探测效果不仅取决于天线的辐射场的强度和方向性等,还与探测目标的散射特性相关。探测目标对电磁波的散射特性比较复杂,不仅取决于