地铁隧道管片背后隐蔽缺陷无损检测实验平台设计_刘海.pdf
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1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023实验设备研制与开发DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 013地铁隧道管片背后隐蔽缺陷无损检测实验平台设计刘海1,赖思聪1,岳云鹏1,孟旭1,刘超1,刘浩2(1 广州大学 土木工程学院,广州 510006;2 济南轨道交通集团有限公司,济南 250000)摘要:为研究电磁波在地铁隧道衬砌结构中的传播和散射规律,设计了一种用于模拟地铁隧道管片背后缺陷检测的实验平台。平台主要由
2、 2 块足尺盾构隧道标准块、2 根不同材质的地下管线和不同尺寸的隐蔽缺陷组成,衬砌背后岩土体用石英砂填充。利用不同频率的探地雷达天线对地铁隧道背后隐蔽缺陷进行探测,可分析管片内部的双层钢筋网对背后不同间距缺陷雷达信号的屏蔽效应,以及不同尺寸缺陷或含水缺陷的典型雷达图像特征。此外,该平台还可以拓展应用于地下管线的探测等地下工程实验教学。关键词:实验平台;地铁隧道;隐蔽缺陷;探地雷达中图分类号:U 495文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0061 04An Multi-Functional Experimental Platform for the Detection o
3、fHidden Defects Behind Subway Tunnel SegmentsLIU Hai1,LAI Sicong1,YUE Yunpeng1,MENG Xu1,LIU Chao1,LIU Hao2(1 School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;2 Ji nan ail Transit Group Co,Ltd,Ji nan 250000,China)Abstract:This paper establishes a multi-functional experimental p
4、latform designed for detection void behind shieldtunnel segments The purpose is to investigate the GP responses from the concealed voids behind a shield tunnel Theplatform consists two shield tunnel segments,a PVC pipeline,a concrete pipeline,and voids with different sizes buriedin quartz sands behi
5、nd the shield tunnel Hidden defects behind the shield segments are detected using GP antennaswith different frequencies A series of laboratory experiments are conducted to analyze and characterize the radarresponses of voids It can analyze the shielding effect of the double-layer rebar mesh inside t
6、he shield segment on thehidden defects with different spacing,as well as the response characteristics of GP B-scan images in different voidsMoreover,the platform has potential for use in underground pipeline experiments in teachingKey words:experimental platform;subway tunnel;hidden defect;ground pe
7、netrating radar(GP)收稿日期:2022-06-23基金项目:国家自然科学基金项目(5202010500);广州市科技计划项目 资 助(202206010017);广 州 大 学 大 学 生 创 新 训 练 项 目(S202111078079)作者简介:刘海(1986 ),男,湖南邵东人,教授,主要研究方向为地下结构无损检测。Tel:18250868175;E-mail:hliu gzhu edu cn0引言随着我国城市化进程加速发展,城市轨道交通进入建设高峰期,对地下空间的开发提出了更高的要求1。为确保地下结构的工程质量,近年来我国对地下工程的检测和验收提出了更高质量的要求2
8、,将最新的地下工程无损检测技术纳入土木工程实践课程。随着地下工程检测技术的不断发展3,隧道结构无损检测技术已成为隧道工程重要的研究领域之第 42 卷一4。地铁隧道在盾构管片施工过程中,由于盾构超挖、注浆压力不足和浆液凝固收缩等原因,导致背后注浆层不密实,进而产生背后空洞、管片开裂和渗水等问题,降低地铁隧道结构的安全性与耐久性5。因此,需要在地铁隧道竣工验收和运营期内及时开展隧道背后缺陷检测,保障地铁隧道的运营安全。探地雷达作为一种探测地下目标的浅地表地球物理方法,近年来在地下结构隐蔽缺陷无损探测领域得到了广泛应用6。针对地铁隧道盾构管片的隐蔽缺陷检测,探地雷达具有携带方便、检测速度快和检测精度
9、高等优点7,有效地弥补了常规钻孔取芯检测方法的不足,为地铁隧道的缺陷修复和安全运维方案设计提供重要的科学数据和信息支撑8。结合探地雷达研究领域的最新研究成果,本文设计一种用于模拟盾构隧道管片背后空洞的无损检测实验平台,该平台通过预埋不同类型、大小的缺陷体,对其雷达图像进行分析,用于指导实际工程中的雷达数据解译工作。1探地雷达原理探地雷达的主要原理是通过天线发射器向地下发射高频电磁波脉冲信号,电磁波在地下介质传播过程中遇到存在电性差异的界面会发生反射,由天线接收器记录地下目标反射信号并传输至主机进行信号处理,通过图像重构可以确定地下介质分布情况。地下介质的电性差异决定了电磁波回波能量的差异,通过
10、分析反射回波的振幅、频率和相位等信息,可以反演地下目标的形状、大小和材质等。当雷达天线收发距远小于目标体埋深时,可由下式计算目标体埋深:h=ct2r(1)式中:h 为目标体埋深;c 为电磁波在真空中的速度;t为回波信号在介质中的双程走时;r为地下背景介质的相对介电常数。由于地铁隧道盾构管片内部密集钢筋网会导致电磁波强散射和多次反射,并形成一定程度的屏蔽效应,严重影响管片背后隐蔽缺陷的探测和识别。图 1 所示为仿真实验结果,为了凸显被双层钢筋网屏蔽的背后缺陷体反射信号,在仿真实验中进行钢筋间距增大处理,设置钢筋间距为 30 cm。2地下结构隐蔽缺陷实验平台设计2.1实验平台设计为研究不同形状和尺
11、寸目标体的雷达图像特征,从而高效识别地铁隧道背后隐蔽缺陷,在实验室开展地铁隧道隐蔽缺陷探地雷达检测实验,建立了含有不(a)探地雷达检测模型示意图(b)B-Scan 图图 1盾构隧道探地雷达仿真实验结果同尺寸预设缺陷体的多功能实验平台,如图 2 所示。实验平台由 2 环标准块盾构隧道管片以及三面砖墙围建而成。其中,标准块管片内径为 2 700 mm,厚度为300 mm。实验平台底部铺设内径为 400 mm 的混凝土与 PVC 地下管线各 1 根,每条管线正上方预埋规格为 300 mm 立方体缺陷,其中 1#、2#为亚克力水箱,用于模拟含水缺陷;3#、4#为泡沫块,由于泡沫与空气的介电常数相似9,
12、实验平台用泡沫块模拟空洞;5#为预设管道缺陷,用于模拟地下管道受到外部冲击造成的损伤;6#为 80 cm 80 cm 60 cm 规格的泡沫块,用于模拟空洞。平台内部填充石英砂,盾构隧道管片背后设置不同大小、形状的(含水)缺陷体,用于探索盾构管片背后不同空洞的电磁响应特征。(a)俯视尺寸(b)内部预设缺陷平面布置图图 2实验平台构造2.2实验内容设计为揭示电磁波在地铁隧道衬砌结构中的散射和传播规律,引导学生理解不同雷达天线中心频率对地铁隧道背后隐蔽缺陷探测结果的影响,本实验设备采用某商业探地雷达系统,分别使用 200、400、600 和 900MHz 中心频率天线对直径或边长为 30、40、5
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