隧洞襯砌混凝土脫空檢測方法探究

（遼寧省水利水電科學研究院，沈陽110003）

探地雷達技術(shù)是用于檢測淺層地質(zhì)構(gòu)造的地球物理探測方法，具有無損、檢測分辨率高和效率高等優(yōu)點。常用于水利水電工程、鐵路等行業(yè)的前期勘察工作，近些年在水利工程安全隱患檢測、水工隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測中發(fā)揮了巨大作用。本文對水工隧洞襯砌混凝土實例探測，利用探地雷達法和超聲層析層像法對襯砌混凝土質(zhì)量進行了探測和質(zhì)量判定，目的是使兩種方法取長補短、相互印證。

1 工程概況

王家溝水庫為?。?）型水庫，水庫樞紐由攔河壩、沖沙閘、輸水隧洞及溢洪道組成，攔河壩為心墻土石壩，最大壩高67m，壩長201m，輸水隧洞位于左岸，設計流量0.9m3，全長120m，輸水隧洞堵頭前段為有壓隧洞，采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.4m。隧洞地質(zhì)條件差開挖中斷面控制較差，多處出現(xiàn)塌方，為避免襯砌后存在大的脫空和空腔，導致內(nèi)水壓力和放空后外水較高導致襯砌破壞，有必要對襯砌后空腔進行檢查和檢測。

2 地球物理條件及檢測原理

2.1 探地雷達法

隧洞襯砌混凝土頂拱脫空檢測，目的是探測混凝土存在空腔的位置，工程實踐中空腔常有兩種形式：一是地下水充填；二是空氣充填。因此脫空檢測的目的體為襯砌混凝土背后的水或空氣。水、空氣與混凝土存在明顯的相對介電常數(shù)，為探地雷達檢測提供了良好的地球物理前提條件。當混凝土內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩、空洞、不密實等缺陷時，混凝土內(nèi)充填水或空氣使其介電常數(shù)發(fā)生變化，水越多則介電常數(shù)越大，充填空氣時，空氣越多則介電常數(shù)越小，可判定襯砌混凝土出現(xiàn)的缺陷。

探地雷達利用發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射高頻脈沖電磁波，當電磁波遇到電性差異界面時發(fā)生折射和反射，同時介質(zhì)對電磁波也發(fā)生吸收、濾波和散射作用，用接收天線接收發(fā)神火折射波并記錄，再用相應的處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理后的圖像結(jié)合工程地質(zhì)特征推斷混凝土厚度、脫空位置、高度、延長長度等信息。該次探地雷達選用美國SIR-30E，天線400MHz和900MHz，時間窗口5～8000ns，數(shù)據(jù)位數(shù)32位，信噪比110dB。

2.2 超聲層析層像法

超聲橫波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時，遇到波阻抗變化會產(chǎn)生反射原理，隧洞結(jié)構(gòu)中混凝土、鋼筋、圍巖、水、空氣存在波速差異，這為超聲層析檢測提供了良好的地球物理前提條件。

超聲層析層像法通過在物體的一側(cè)面發(fā)射和接收低頻超聲橫波脈沖信號，然后用層疊成像方式進行信號處理，得到物體內(nèi)部超聲橫波反射強度、位置、規(guī)模等，最后解譯出混凝土結(jié)構(gòu)信息。本次超聲橫波層析成像混凝土厚度測試使用A1040 MIRA混凝土斷層超聲成像儀。測量范圍（50～2500mm），工作頻率50kHz。

3 檢測流程

3.1 普查

在拱頂沿洞軸線方向布置3條測線，間距60cm，如圖1，用900MHz天線普查，塌方段結(jié)合400MHz天線進行普查，用900MHz進行10%復測。

圖1 測線布置

3.2 復查

對于探地雷達出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進行復測，如發(fā)現(xiàn)存在脫空異常，采用不同頻率天線進行驗證性檢測及增加環(huán)向測線。

3.3 詳查

對確定的探地雷達異常區(qū)采用超聲橫波層析成像法進一步檢查，測區(qū)覆蓋正常和異常位置，繪制200mm×200mm網(wǎng)格，如兩種方法結(jié)果一致，則確認為脫空區(qū)，否則以超聲橫波層析成像法確定是否為脫空區(qū)。測點如圖2。

圖2 檢測點布置

4 分析及驗證

4.1 探地雷達法成果

檢測過程中保證天線與混凝土表面耦合良好，天線移動均勻，采用連續(xù)測量方式檢測范圍0+006.000～0+55.500，檢測成果如表1。探地雷達檢測如圖3。

表1 輸水洞襯砌混凝土檢測成果 單位：m

圖3 探地雷達

從圖3可以看出標注的異常部位，除正常結(jié)構(gòu)間反射外，還存在異常反射，檢測共發(fā)現(xiàn)小脫空及輕微不密實區(qū)域4處，延續(xù)長度1.0～2.5m；其他未見明顯異常反射。

為檢驗檢測數(shù)據(jù)的可靠性對探地雷達法安排了一定量的自檢性復測，如表2。結(jié)果表明，所采集的數(shù)據(jù)準確可靠。

表2 自檢性復測

4.2 超聲層析層像法驗證

檢測過程中保證設備檢波器與混凝土表面耦合良好，本次檢測彩色增益18dB，模擬增益60dB，發(fā)射頻率65kHz。超聲層析層像檢測典型如圖4。從圖4可以看出，超聲層析層像檢測圖顯示鋼筋反射明顯，中間及底部未見異常反射，兩種方法檢測結(jié)果相同。

圖4 拱頂超聲橫波層析層像檢測

對探地雷達發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域安排了超聲橫波層析成像詳查工作，如表3。

表3 超聲橫波層析成像詳查工作

5 結(jié)語

（1）檢測結(jié)果共發(fā)現(xiàn)小脫空及輕微不密實區(qū)域4處，其中小脫空1處，不密實3處，缺陷范圍延續(xù)長度1.0～2.5m，其他洞段未見明顯異常反射，經(jīng)自檢表明脫空檢測數(shù)效果好。建議檢測發(fā)現(xiàn)的脫空洞段，應安排打孔，進行灌漿；對不密實和異常反射界面，應打2個檢查孔查找原因，若界面較大則應完成灌漿作業(yè)，未存在異常應進行壓水試驗，確保工程質(zhì)量。

（2）本次檢測采用探地雷達和超聲橫波層析成像兩種方法。探地雷達法的優(yōu)點是基本不受介質(zhì)表面影響，能檢測出混凝土脫空高度且效率高，但受鋼筋網(wǎng)等金屬機構(gòu)的影響大；超聲橫波層析成像法對金屬結(jié)構(gòu)影響小，檢測直觀，但效率低不利于大規(guī)模檢測。此次應用兩種理論基礎不相同的方法聯(lián)合使用，可以充分利用每一種方法長處，互相驗證探測結(jié)果，提高檢測精度，為工程提供可靠資料。

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