基于跨孔雷达数据概率反演的地下连续墙缺陷识别方法研究

Diaphragm wall is a key factor to ensure construction safety for deep excavations. Yet for the lack of effective detection method, accidents often occur during construction due to diaphragm wall defects. Therefore, this study focuses on the crosshole ground penetrating radar (GPR) method for diaphragm wall defect detection, aiming at revealing the propagation mechanism of electromagnetic (EM) waves in complicated underground media, and improving the inversion method of crosshole GPR data. By measuring the permittivity and conductivity of diaphragm wall, surrounding soil and defects, dielectric properties of underground media can be obtained. According to 3D numerical modelling using the finite-difference time-domain (FDTD) method, the influence of different frequencies and complex structure on the EM wave propagation is analyzed and the propagation characteristic can be summarized. Combined with physical model experiment, crosshole GPR data features for different types of defects can be extracted. Based on the Bayesian Formula and Markov chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, the posterior distribution of parameters can be obtained, taking into consideration prior information of parameters and errors of different sources. The result improves inversion accuracy and quantifies uncertainties, thus identifies diaphragm wall defects exactly. Therefore, this study provides theoretical and technical supports for successful application of crosshole GPR in diaphragm wall defect detection.

地下连续墙是保障深大基坑施工安全的关键载体，但由于缺乏有效手段在基坑开挖前对地下连续墙进行检测，导致因地下连续墙缺陷造成的基坑安全事故时有发生。为此，本项目聚焦跨孔雷达检测方法，针对电磁波在复杂地下介质中的传播机理以及跨孔雷达数据反演等关键科学问题展开研究。通过测定地下连续墙、土体及各类缺陷的介电常数和电导率，获得地下介质的介电特性参数；利用时域有限差分方法进行三维数值仿真，分析不同频率电磁波的传播特性和复杂结构的影响方式，揭示电磁波在复杂地下介质中的传播规律；结合模型试验，挖掘各类缺陷的跨孔雷达数据特征；引入贝叶斯后验概率公式，结合马尔科夫链蒙特卡罗算法，考虑参数的先验信息和各类误差的影响，得出电性参数的后验概率分布。从而提高反演精度并定量给出反演结果的不确定性大小，实现对地下连续墙缺陷的准确识别。本项目的研究将为跨孔雷达方法在地下连续墙检测领域的成功应用提供理论基础和技术支撑。

地下连续墙是保障深大基坑施工安全的关键载体，但由于缺乏有效手段在基坑开挖前对地下连续墙进行检测，导致因地下连续墙缺陷造成的基坑安全事故时有发生。本项目基于跨孔雷达方法，从电磁波在地下连续墙复杂介质中的传播规律出发，挖掘各类缺陷的跨孔雷达数据特征；研究跨孔雷达数据贝叶斯概率反演理论，提高对地下连续墙介电参数的反演精度，实现对地下连续墙缺陷的准确识别。具体研究内容及相关成果包括：（1）分析了跨孔雷达电磁波在复杂地下介质中的传播特性，得出跨孔雷达方法可用于地下连续墙病害检测的条件。一是地下连续墙结构为低损耗介质件，电磁波能在地下连续墙结构内传播；二是病害部位由于含水量增大导致介电常数显著增加，使得病害部位和完整结构出现明显的电性参数差异，这种差异使电磁波发生反射、折射和散射等现象，因此可通过对电磁波的分析获得病害信息。（2）通过数值模拟总结了地下连续墙缺陷的跨孔雷达数据特征。层状病害可通过其在零高差数据中的特征，即直达波走时不改变但振幅显著减小，来判断层状病害的发生范围。块状病害的零高差初至走时在病害处发生延迟、直达波振幅明显减小，病害具体位置和分布可由多高差数据反演得出。接头楔形间隙零高差初至走时随深度增大逐渐增加，直达波振幅随深度增大逐渐减小。槽底淤泥零高差初至走时突然发生较大延迟，直达波振幅出现“断崖式”减小，淤泥的具体分布范围可由多高差数据反演得出。（3）建立了基于贝叶斯概率反演的地下连续墙缺陷识别方法。该方法基于贝叶斯定理，建立观测数据和模型参数间的概率联系。采用马尔科夫链蒙特卡罗（MCMC）模拟结合DREAM(ZS)算法来实现参数的后验分布采样，该算法构造马尔科夫链，并通过差异进化算法和Metropolis-Hastings（MH）准则使马尔科夫链收敛于后验分布。与确定性反演方法相比，该方法能够显式处理测量误差，并且对反演结果的不确定性做出定量判断，反演结果更加客观和可信。