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基于电磁波响应特征的隧道衬砌检测技术研究

作　者: 陈屹林
导　师: 杨成忠
学　校: 华东交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 探地雷达无损探测 FDTD正演模拟物理模型试验图谱识别
分类号: U456.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 9次
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内容摘要

在隧道的修建过程中，往往因地质条件复杂、施工环境恶劣、施工工艺及其他问题，往往容易造成隧道衬砌在修建过程中留下空洞、脱空、不密实等不良病害。因此，加强对隧道衬砌异常体响应特征的识别，对确保隧道衬砌探测图谱的正确解译以及提高探测结果的可靠性具有着重要的意义。首先，从电磁场理论出发，研究了电磁波在有耗介质及多层介质中的传播特性。通过分析小目标体在B-scan中的回波信号，验证了小目标体在探地雷达的回波信号呈现双曲线的传播特征。其次，利用目标体与探测环境的电性差异，通过时域有限差分法（Finite Difference Time Domain， FDTD）对衬砌内部横向直径变化的空洞进行正演模拟，分析了空洞横向直径变化对电磁波反射响应特征影响。结果表明：随着空洞横向直径的增大，空洞正演合成图由双曲线逐步向矩形变化。为正确识别衬砌空洞缺陷图谱特征提供了支持。再次，设计了一个孔壁上开有长方形和圆形小孔的圆柱体混凝土模型，测试探地雷达在规则空洞的反射响应特征。发现空洞的反射响应特征为双曲线，这与正演模拟的结果相符。为识别雷达图谱提供有效的支持，提高了后续解译的可靠性。在充分认识探地雷达电磁波在有耗介质、多层介质中的传播特征以及衬砌空洞的正确识别的基础上，在正演模拟与物理模型试验的支持下，将探地雷达应用于某隧道的衬砌及二衬的层厚探测，实现了对不密实、空洞、连续脱空以及三角脱空等四种主要的结构缺陷的图谱解译，提高了地质雷达在隧道衬砌检测中的可靠性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-8
主要符号说明  8-9
第一章绪论  9-14
  1.1 课题的来源、目的和意义  9-10
  1.2 探地雷达国内外研究现状  10-11
  1.3 探地雷达正演模拟研究现状  11-12
  1.4 衬砌探测研究现状  12-13
  1.5 本文研究的主要内容  13-14
第二章探地雷达基本原理  14-27
  2.1 电磁波传播原理  15-17
    2.1.1 Maxwell 方程组和本构关系  15-16
    2.1.2 电磁波的波动性  16-17
  2.2 电磁波在有耗媒介中的传播特性  17-18
  2.3 电磁波在多层介质中的传播特性  18-20
  2.4 探地雷达的数据记录形式  20-22
  2.5 小目标在探地雷达探测中的回波信号特征  22-23
  2.6 传播介质对电磁波的影响  23-25
    2.6.1 影响传播的介质电性参数  23-24
    2.6.2 常见介质电性参数  24-25
  2.7 本章小结  25-27
第三章空洞探地雷达 FDTD 法正演模拟  27-41
  3.1 时域有限差分（FDTD）的基本思想  27-28
  3.2 二维空间的 FDTD 差分方程  28-31
  3.3 FDTD 法数值解的稳定性  31-32
  3.4 吸收边界条件  32-34
  3.5 FDTD 中的激励源  34-35
  3.6 FDTD 正演模拟步骤  35-36
  3.7 FDTD 二维空洞模型正演模拟  36-39
    3.7.1 圆形空洞正演模拟  36-37
    3.7.2 中椭圆形空洞（两者之间）正演模拟  37-38
    3.7.3 长椭圆形空洞（脱空）正演模拟  38-39
  3.8 本章小结  39-41
第四章空洞物理测试探测试验  41-55
  4.1 空洞测试试验设计方案  41-44
    4.1.1 探测试验模型边界影响  41-42
    4.1.2 空洞模型设计  42-43
    4.1.3 空洞探测实施  43-44
  4.2 探地雷达（GPR）系统  44-47
    4.2.1 GPR 组成  44-45
    4.2.2 探测技术与方法  45
      4.2.2.1 探测方法与测线布置  45
      4.2.2.2 GPR 的探测性能  45
    4.2.3 GPR 探测性能  45-47
  4.3 现场数据采集  47-48
    4.3.1 采集设置  47
    4.3.2 数据采集  47-48
  4.4 采集数据后续 REFLEXW 软件处理  48-53
    4.4.1 REFLEXW 软件  48-49
    4.4.2 REFLEXW 软件数据处理  49-53
      4.4.2.1 数据预处理  49-50
      4.4.2.2 探地雷达电磁波的杂波处理  50-53
  4.5 空洞测试探测试验结果  53-54
    4.5.1 小空洞测试结果分析  53
    4.5.2 大空洞测试结果分析  53-54
  4.6 本章小结  54-55
第五章探地雷达在衬砌探测中的应用  55-67
  5.1 某隧道的工程概况  55-57
    5.1.1 隧道设计概况  55
    5.1.2 气象、水文  55-56
    5.1.3 地形地貌  56
    5.1.4 地质构造  56-57
    5.1.5 地层岩性  57
  5.2 某隧道衬砌探测的成果  57-65
    5.2.1 衬砌结构探测  58-62
      5.2.1.1 衬砌不密实探测  58-61
      5.2.1.2 衬砌钢支撑探测  61-62
    5.2.2 衬砌厚度探测  62-65
  5.3 本章小结  65-67
第六章结论与展望  67-68
  6.1 结论  67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-71
个人简历在读期间发表的学术论文  71-72
致谢  72

基于电磁波响应特征的隧道衬砌检测技术研究

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