探地雷达在公路隧道中的应用研究

摘要

探地雷达是在隧道衬砌健康检测、隧道超前预报等工程中广泛使用的物探工具。它以无损、高效、分辨率高的特点深受工程人员的亲睐。然而,在我国探地雷达的应用还处于初级阶段,在实际工程中很多问题亟待解决,例如,探测参数的设置尚无统一标准以及探测图像的解译缺少依据等。这些问题的存在影响了雷达探测的准确性。本文通过数值模拟和物理模拟方法,结合在岑溪大隧道、垌尾隧道以及岭脚隧道中的衬砌检测经验,对探地雷达在公路隧道衬砌检测和超前预报中的应用进行研究,本文研究的主要成果如下:
　　1.采用二维的时域有限差分法,对探地雷达进行正演模拟。从麦克斯韦电磁方程出发,推导出 TM波在二维空间的有限差分方程,借助完全匹配边界条件解决在有限空间内模拟电磁波在无限空间传播的问题,使用Matlab软件编写模拟程序,对隧道衬砌检测和超前预报中典型的地电模型进行正演模拟,取得了正演图像,为实际应用中的反演提供依据。
　　2.分别进行隧道衬砌和超前预报不良地质体模型试验。通过隧道衬砌模型试验,研究了钢筋网对于雷达信号的屏蔽作用,混凝土龄期对雷达波速的影响,二衬分界面位置的判断方法,以及衬砌中空洞、不密实、钢拱架、钢筋网的辨识方法。通过对隧道超前预报不良地质体(破碎带、富水区、中空溶洞、含水溶洞、节理)的模拟,获取了其典型图像,并和数值模拟中得到的图像进行对比,总结了图像特征。
　　3.研究了计算岩溶洞穴尺寸方法,并通过试验,分别验证了波速替换法、渐近线法在计算洞穴尺寸中可靠性和准确性。
　　4.根据岑溪大隧道、垌尾隧道以及岭脚隧道的衬砌检测实例,对探地雷达在衬砌检测中参数设置、数据分析的方法进行研究。结合实际开挖情况,得到了各种衬砌缺陷所对应的典型图形,并对比数值模拟和物理模拟结果,总结图像特征,为衬砌检测中的图像解译提供依据。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 课题来源

1.3 国内外研究现状

1.4 探地雷达的应用现状

1.5 本文主要研究内容

第二章 探地雷达简介

2.1 电磁波理论

2.2 探地雷达的性能

2.3 探地雷达参数的设定

2.4 本章小结

第三章 探地雷达的数值模拟

3.1 麦克斯韦方程

3.2时域有限差分法原理

3.3数值稳定性分析

3.4 完全匹配层吸收边界

3.5 激励源的设置

3.6 正演数值模拟过程

3.7 本章小结

第四章 探地雷达的物理模拟试验

4.1 试验设备介绍

4.2 隧道衬砌模型试验

4.3 超前预报中典型不良地质体模型试验

4.4 洞穴尺寸模型试验

4.5 本章小结

第五章 探地雷达在衬砌检测中的应用

5.1 隧道衬砌检测的内容

5.2 衬砌检测前准备工作

5.3 隧道衬砌检测图像分析

5.4 使用探地雷达进行衬砌检测的误差分析

5.5 使用探地雷达进行隧道衬砌检测应注意的问题

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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