УДК 550.837

Проведение георадарных исследований для выявления пустот в обделке туннеля

Соколов Александр Денисович – студент Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Аннотация: Во время строительства туннельных сооружений возникает частая проблема наличия пустот в облицовке, что свидетельствует об отсутствии гарантии долгой эксплуатации и надежности конструкции. Для предотвращения этого, необходимо распознавать участки пустоты во время строительства. Метод георадиолокационного зондирования позволяет без повреждения туннеля провести анализ текстуры его обделки. На основе коэффициентов отражения и затухания исследуемой среды определяются граничные точки, соответствующие изменению фазы. Изменению амплитудно-частотных характеристик соответствуют граничные точки, которые строятся по данным двумерного сканирования (B-скан) для распознавания пустоты.

Ключевые слова: георадар, георадиолокация, зондирование, распознавание пустот, граничная точка, коэффициент отражения, коэффициент затухания, A-скан, B-скан, обделка туннеля, распространение электромагнитной волны.

Распознавание граничных точек

Информация об отражении электромагнитной волны (ЭМВ) в среде в разных местах может быть получена из одномерной временной диаграммы формы волны. Коэффициент отражения показывает изменение фазы ЭМВ по мере того, как она достигает границы раздела различных сред. Следовательно, он может быть использован в качестве основы для определения границы раздела сред. Коэффициент отражения определяется

(1)

где   и  – диэлектрические проницаемости двух разных сред.

Амплитуда отраженной волны в исправной обделке туннеля уменьшается экспоненциально. Если амплитуда отраженной волны внезапно увеличивается или уменьшается, это указывает на то, что в обделке туннеля может быть новая среда или аномальные объекты. На рисунке 1 первая граничная точка в обделке туннеля определяется как первая пиковая точка, где амплитуда резко затухает в положительном направлении, отмеченная как пиковая точка красного цвета.

Рисунок 1. Граничные точки пустоты в георадарных данных A-скана.

По мере распространения волны в пустоте амплитуда отраженной волны медленно уменьшается. Аналогично, когда волна распространяется из пустоты в бетон, коэффициент отражения равен отрицательному значению, т.е. разности фаз между отраженной волной и падающей составляет 180 градусов. Вторая граничная точка в обделке туннеля определяется как первая пиковая точка, где амплитуда постепенно увеличивается в отрицательном направлении, отмеченная как пиковая точка синего цвета.

Однако неясно, является ли граничная точка, полученная по коэффициенту отражения границей раздела с пустотой или другой средой. Следовательно, необходимо объединить амплитуду и частоту ЭМВ в пустоте, чтобы выбрать граничные точки и восстановить геометрию пустоты B-скана для получения границ пустоты.

Распознавание пустоты в данных георадара

При А-скане картина распространения ЭМВ показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Волновая характеристика георадарных данных A-скана.

Геометрия, построенная с использованием граничных точек, показала разрывы в некоторых областях, как показано на рисунке 3(б). А-скан был извлечен из этих областей, и волна пустоты дрейфовала из-за интерференции сигнала, как показано на рисунке 3(а). Следовательно, отраженный сигнал пустоты не был обнаружен в этих областях, что является причиной этого явления. Согласно уравнению (1), когда ЭМВ сталкивается со средой с бесконечной относительной диэлектрической проницаемостью в процессе передачи, фаза отраженной волны меняется на 180 градусов, что приводит к смещению амплитуды отраженной волны. Путем анализа и сравнения амплитуд волн в одном и том же направлении можно определить порог для соотношения соседних амплитуд, что обеспечит точную идентификацию волны пустоты.

Рисунок 3. (a) A-скан пустоты со смещением амплитуды; (б) B-скан изображения после построения граничных точек без добавления порога; (в) B-скан изображения после построения граничных точек с добавлением порога.

Проверка пустот в обделке туннеля

Туннель имеет высоту 6,1 м и ширину 7,32 м, подвержен дефектам и аварийным ситуациям. Использован георадар с экранированной антенной частотой 400 МГц для обнаружения верхней части арки туннеля.

Скорость распространения волны в среде выражается как

(2)

где  – показатель преломления. Из уравнения (2) диэлектрическая проницаемость может быть выражена как

(3)

где  – время двустороннего распространения ЭМВ в обделке,  – время двустороннего распространения ЭМВ от боковой стенки до нижней части обделки, а  – глубина залегания пустоты.

Пустоты и неплотности в конструкции обделки туннеля имеют сходные характеристики. Для этой цели различают пустоты и неплотности и идентифицируют их в соответствии с характеристиками среды. Когда вертикальная глубина среды составляет менее 10 см, а площадь – менее 2 м², дефект оценивается как неплотность. Если вертикальная глубина дефекта превышает 10 см, а площадь превышает 2 м², дефект оценивается как пустота.

Зная скорость распространения волны в бетоне и время прохождения ЭМВ в двух направлениях, глубину залегания пустоты  можно выразить как

(4)

где  и  указывают время прохождения в обе стороны. В соответствии с дефектом, обнаруженным в разделе пробега, начальная и конечная глубины дефекта при каждом A-скане рассчитываются в соответствии с уравнением (4). Путем усреднения начальной и конечной глубин внутри пустоты за пройденное расстояние 14 м начальная глубина 23 см, конечная 66 см, а площадь 2,001 м².

Основываясь на результатах определения площади и глубины дефектов, дефекты в туннеле были оценены с использованием вышеуказанных критериев, и результаты представлены на рисунках 4(a–в). По сравнению с результатами обнаружения пустоты погрешность начальной глубины пустоты при проверке пробуренного отверстия составляет 11%, а конечная глубина пустоты при проверке такая же, что доказывает надежность метода.

Рисунок 4. Результаты распознавания георадарных данных: (a) участок пробега 1 (14 м); (б) участок пробега 2 (14 м); (в) участок пробега 3 (14 м).

Список литературы

1. Левис, Обратная задача дифракции // Зарубежная радиоэлектроника, 1970, №2. - С. 100-113. Реутов А. П. Радиолокационные станции бокового обзора / А. П. Реутов, Б. А. Михайлов, Г. С. Кондратенков, Б. В. Бойко. - М.: Сов. радио, 1970.

2. Шилин А. А. Поведение обделки деривационного тоннеля № 1 Ирганайской ГЭС во время эксплуатации // Гидротехническое строительство, 2006, №4. - С. 20-25. 

3. Зеркаль Е.О., Калашников А.Ю., Лапшинов А.Е., Тютюнков А.И. Выявление внутренних дефектов бетонирования в теле монолитной фундаментной плиты по данным георадиолокационного обследования. Вестник МГСУ научно-технический журнал – М.: Издательство МГСУ, 2020. – 980—987 с.

4. Старовойтов А.В., Пятилова А.М., Шалаева Н.В., Калашников А.Ю. Выделение пустот методом георадиолокации. Журнал Инженерные изыскания №13 – М.: Издательство Геомаркетинг, 2013. – 26-33 с.

5. Денисов Р.Р. Обработка георадарных данных в автоматическом режиме. Журнал Геофизика №4 – М.: Ред.-изд. центр ЕАГО, 2010. – 76-80 с.

6. Степанов А.В. Обработка сейсмических данных: Учебно-методическое пособие к курсам повышения квалификации «Петрофизика и геофизика в нефтяной геологии» – Казань: Казанский университет, 2013. – 24 с.

7. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М.: Недра, 1986. 128 с.

8. Подповерхностное зондирование // Отечественная библиография. 1990—2013 гг. URL: http://www.prome-teus.nsc.ru

9. Pham M T and Lef`evre S. Buried object detection from B-scan ground penetrating radar data using Faster-RCNN. Int. Geosci. Remote Sens. Symp, 2018-July:6804–6807, 2018.