淺談隧道襯砌雷達(dá)檢測技術(shù)

張 晉

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

1 隧道檢測的原理

隧道檢測主要包括隧道施工質(zhì)量、圍巖病害檢測。其中以隧道施工質(zhì)量檢測中襯砌檢測為例，一般使用地質(zhì)雷達(dá)工程物探檢測技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、效率高、損耗小等。隧道檢測中主要包括對襯砌厚度、襯砌背后空洞、松散和密實(shí)等回填情況、襯砌中裂隙分布情況、襯砌背后含水分布情況、襯砌混凝土中鋼筋及鋼拱架的分布等檢測。隧道襯砌具有永久性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此對其檢測工作非常重要。其檢測要求也非常嚴(yán)格，檢測形式以開挖圍巖、初期支護(hù)、防排水層以及二次襯砌為主。在隧道襯砌檢測時(shí)，工作人員將地質(zhì)雷達(dá)天線靠近隧道襯砌表面，利用地下介質(zhì)不同的電性，通過發(fā)射和接收地下的電磁波，并且將其處理分析。

2 隧道雷達(dá)檢測技術(shù)原理

2.1 隧道檢測天線的頻率選擇

隧道雷達(dá)檢測天線頻率的選擇與地下介質(zhì)成分和需要測試的測深有關(guān)，在開展雷達(dá)探測前要判斷地段是否因?yàn)榻邮针姶挪町惓霈F(xiàn)波阻抗介面。地下介質(zhì)組成不同，其內(nèi)部反射波的高低頻率成分的分布也不同，通過反射波頻率特點(diǎn)來識別介質(zhì)層分布情況。一般來說，介質(zhì)質(zhì)地越均勻，低頻成分越多，而介質(zhì)質(zhì)地越不均勻，高頻成分越多。所以，在選擇天線頻率時(shí)要對地質(zhì)均勻性質(zhì)進(jìn)行充分的分析。例如:襯砌層質(zhì)地均勻度強(qiáng)于圍巖，結(jié)構(gòu)相對簡單，所以其反射波相對簡單，缺少高頻成分，在缺陷處反射較為異常。

2.2 隧道檢測線的設(shè)置

隧道檢測線的設(shè)置主要是參數(shù)的設(shè)置，主要包括天線的中心頻率、時(shí)間窗口、采樣率、介電常數(shù)等。這些參數(shù)在設(shè)置前需要明確勘測的主要目的，根據(jù)施工地點(diǎn)的自然環(huán)境、地質(zhì)條件及周圍干擾條件等制定勘測方案?？睖y方案的設(shè)置需要綜合考慮各方面因素，對工程資料進(jìn)行詳細(xì)了解。隧道檢測線的設(shè)置就按照勘測方案進(jìn)行，在探測過程中如果出現(xiàn)意外情況，可對參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2.3 用隧道雷達(dá)計(jì)算襯砌厚度

襯砌厚度的計(jì)算主要依據(jù)襯砌介面的反射波來確定，襯砌表面的反射波相是連續(xù)的、正相的，天線到襯砌表面的距離不小于1.4 ns，不大于1.8 ns，容易被雷達(dá)系統(tǒng)追蹤。復(fù)合式襯砌厚度的計(jì)算會(huì)相對復(fù)雜，雷達(dá)系統(tǒng)需要追蹤到二次襯砌與噴射混凝土之間的界面，由于反射波能量與二次襯砌和噴射混凝土的物理性質(zhì)差異有關(guān)，所以其厚度計(jì)算要考慮其物理差異性對其反射波能力的影響。

3 隧道襯砌雷達(dá)檢測技術(shù)的前景應(yīng)用

3.1 在道路工程中常見的質(zhì)量缺陷

道路工程的質(zhì)量缺陷指隧道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的施工質(zhì)量與原來設(shè)計(jì)不一致并且影響隧道運(yùn)營安全及耐久性。常見的質(zhì)量缺陷有隧道襯砌厚度不足、混凝土不密實(shí)和襯砌內(nèi)存在空洞、襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖脫空、混凝土蜂窩或嚴(yán)重離析等。在施工時(shí)由于挖掘程度控制不好造成的超挖現(xiàn)象，在回填時(shí)沒有進(jìn)行密實(shí)處理，致使在工程建設(shè)期間出現(xiàn)圍巖墜落在襯砌上或因其受力不均一產(chǎn)生裂痕等現(xiàn)象。當(dāng)外界溫度變化以及地下水壓力增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)漏水、裂損、腐蝕等情況的發(fā)生，影響隧道的使用壽命和整體工程的安全。除此之外，還有襯砌厚度不足等質(zhì)量缺陷問題，主要分為整體厚度不足和局部厚度不足。襯砌是隧道的重要承載結(jié)構(gòu)，襯砌的整體厚度不足會(huì)使隧道的承載力下降。局部的襯砌厚度不足，使得薄弱截面處截面慣性矩、剛度變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體受力的變化，影響隧道的整體穩(wěn)定性及功能的發(fā)揮。雷達(dá)檢測技術(shù)的應(yīng)用可減少甚至避免上述情況的發(fā)生，該技術(shù)的高精準(zhǔn)性、無損傷性、高效率性是其應(yīng)用的重點(diǎn)。

3.2 襯砌雷達(dá)技術(shù)測量的誤差

襯砌雷達(dá)技術(shù)測量的誤差主要來自三方面，分別是計(jì)算誤差、空洞或回填松散區(qū)深度范圍誤差、里程定位誤差。首先，襯砌厚度計(jì)算誤差。主要來源于電磁波速度的變化及界面判識精準(zhǔn)度等造成誤差。在計(jì)算襯砌混凝土的厚度時(shí)取固定的電磁波速度，當(dāng)介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致電磁波速變化，引起計(jì)算誤差。界面程度、干擾波及人為干擾導(dǎo)致界面判識的精準(zhǔn)度受到影響，引起計(jì)算誤差。其次，空洞或回填松散區(qū)深度范圍誤差，天線本身的直接泄漏耦合干擾、天線及天線對發(fā)射源的反射振鈴干擾等構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的回波信號，多種回波信號構(gòu)成一個(gè)時(shí)域波形，并且受到襯砌表面特性的影響。當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平不能將襯砌界面、空洞界面的回波進(jìn)行分類，而且當(dāng)空洞或松散區(qū)中含有空氣及水時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大電性差異，界面的反射波、干擾波等受到影響。在雷達(dá)測線剖面上，反射波起跳點(diǎn)識別不精確使時(shí)間拾取上存在誤差，造成測量誤差。最后，里程定位誤差。主要源于里程標(biāo)記的精度和檢測車速度的不均勻。

4 隧道檢測結(jié)果的確定

(1)在界面劃分方面，襯砌的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同其介電常數(shù)也不同，理論上在雷達(dá)圖像上會(huì)出現(xiàn)明顯的界限，呈現(xiàn)出水平的圖像。但在實(shí)際施工中，由于開鑿面常常凹凸不平，圖像會(huì)出現(xiàn)非直線狀，影響判斷。襯砌回填的密實(shí)程度會(huì)影響反射信號的傳播，增加界面的識別難度;(2)雷達(dá)處理軟件可將混凝土支護(hù)及襯砌厚度進(jìn)行判斷，當(dāng)其界面信號受到干擾時(shí)，通過調(diào)節(jié)電磁波對界面情況進(jìn)行判斷。除此之外，當(dāng)混凝土襯砌與噴射混凝土之間設(shè)有防水布層時(shí)，存在介電常數(shù)的波動(dòng)，可通過識別防水布層計(jì)算外表厚度，進(jìn)而計(jì)算出二次襯砌的厚度;(3)確定工程質(zhì)量缺陷。以襯砌空隙或空洞填補(bǔ)不密實(shí)為例，一般的缺陷處含有空氣或水，由于混凝土與其介電常數(shù)的差異導(dǎo)致反射信號出現(xiàn)變化，根據(jù)反射信號形態(tài)能夠判斷出空隙的大小，根據(jù)水平距離可確定出缺陷的范圍。

5 結(jié) 語

隧道襯砌雷達(dá)檢驗(yàn)技術(shù)為我們的道路工程帶來了極大的方便。讓我們更方便、快捷、安全的檢測隧道質(zhì)量。

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