地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量試驗(yàn)研究

□文/王 旭 張 新

我國(guó)已是世界上公路隧道里程最長(zhǎng)、規(guī)模最大、發(fā)展最快的國(guó)家［1］。在建隧道需要對(duì)襯砌質(zhì)量進(jìn)行控制，運(yùn)營(yíng)隧道病害評(píng)價(jià)是隧道提質(zhì)升級(jí)的前提，因此隧道襯砌檢測(cè)是隧道病害診斷的一項(xiàng)重要內(nèi)容［2］。

地質(zhì)雷達(dá)法常用于工程探測(cè)，但應(yīng)用于隧道健康診斷還存在很多問題［3］。本文以隧道襯砌厚度為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，在現(xiàn)有試驗(yàn)室條件下，模擬2 類襯砌結(jié)構(gòu)，從雷達(dá)天線頻率、防水板、混凝土齡期、襯砌鋼筋等4 個(gè)因素開展研究，綜合分析與襯砌混凝土介電常數(shù)相關(guān)的各因素對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件制作

共制作3 個(gè)試件。其中：2 個(gè)試件尺寸為130 cm×60 cm×40 cm，材料分別為鋼筋混凝土和普通混凝土（即素混凝土），定義為A型試件和B型試件：A型和B 型試件分別模擬隧道初支的鋼筋混凝土二襯結(jié)構(gòu)和普通混凝土二襯結(jié)構(gòu)；1 個(gè)板殼試件尺寸為65 cm×60 cm×10 cm，材料為普通混凝土，定義為C 型試件。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)：（A+防水板+C）型試件模擬鋼筋混凝土二襯結(jié)構(gòu)+初期支護(hù)，（B+防水板+C）型試件模擬普通混凝土二襯結(jié)構(gòu)+初期支護(hù)。

以拌和站混凝土為基礎(chǔ)，按大體積混凝土配比，采用C30強(qiáng)度等級(jí)。水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶粉煤灰∶外加劑=291∶844∶1032∶160∶73∶2.548，水膠比0.44，砂率45%，粗集料摻配比（4.75～9.5 mm）∶（9.5～19 mm）∶（19～31.5 mm）=10∶60∶30。澆筑混凝土?xí)r采用振搗棒均勻振搗。所有試件拆模后，在側(cè)面涂抹防水油脂，使試件只有表面的水分蒸發(fā)，這與隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面的水分蒸發(fā)是一致的。

1.2 檢測(cè)設(shè)備

選用美國(guó)勞雷工業(yè)有限公司生產(chǎn)的SIR-20 主機(jī)和中心頻率400、900 MHz 的兩種屏蔽天線，參數(shù)以儀器默認(rèn)設(shè)置為準(zhǔn)。

1.3 試驗(yàn)方案

模擬隧道初支及復(fù)合式襯砌的地質(zhì)雷達(dá)厚度檢測(cè)，齡期為3、7、14、28 d，天線頻率為400、900 MHz。

2 介電常數(shù)標(biāo)定

進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，首先應(yīng)完成現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)波速測(cè)定。雷達(dá)波速測(cè)定的原理是利用已知厚度的試件或介質(zhì)對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)反射，從雷達(dá)單道波形圖上讀取雷達(dá)波的雙程走時(shí)，反算得到混凝土相對(duì)介電常數(shù)εr。

式中：v——現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)波速；

d——雷達(dá)波單程距離；

t——雷達(dá)波的雙程走時(shí)；

c——光速。

分別以400、900 MHz 天線測(cè)定28 d 齡期的兩種襯砌結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，結(jié)果見表1。

表1 齡期28 d時(shí)兩種襯砌結(jié)構(gòu)試件介電常數(shù)標(biāo)定值

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 雷達(dá)天線頻率影響

不同天線頻率下檢測(cè)的試件厚度見圖1。

由圖1可以看出：

1）當(dāng)齡期為3 d 時(shí)，900 MHz 頻率天線無法檢測(cè)40 cm厚度的混凝土；當(dāng)齡期為7 d時(shí)，900 MHz頻率天線無法檢測(cè)40 cm厚度的鋼筋混凝土及其組成的復(fù)合式襯砌，但是，測(cè)試素混凝土及其組成的復(fù)合式襯砌精度較好；當(dāng)齡期為14 d或28 d時(shí)，900 MHz頻率天線可以檢測(cè)40 cm厚度的兩種結(jié)構(gòu)襯砌；

2）當(dāng)齡期為3、7、14 d 時(shí)，400 MHz 頻率天線檢測(cè)素混凝土及其組成的復(fù)合式襯砌精度較好，檢測(cè)鋼筋混凝土及其組成的復(fù)合式襯砌誤差大，不宜使用；齡期28 d 時(shí)，適宜檢測(cè)初支混凝土，不宜檢測(cè)復(fù)合式襯砌；

3）當(dāng)檢測(cè)厚度為40 cm、齡期14 d 或28 d 時(shí)，900 MHz 頻率天線較400 MHz 合適。檢測(cè)襯砌混凝土質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇最合適的地質(zhì)雷達(dá)頻率天線。

3.2 防水板影響

由圖1可以看出，無論何種混凝土齡期，復(fù)合式襯砌較初支結(jié)構(gòu)檢測(cè)精度差，推測(cè)是防水板的影響。

3.3 混凝土齡期影響

由圖1可看出：

1）采用400 MHz頻率天線檢測(cè)四種混凝土齡期B型試件，其實(shí)測(cè)厚度依次為0.42、0.42、0.40、0.40 m，也就是說隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)檢測(cè)厚度是減小的，但是齡期越長(zhǎng)，檢測(cè)厚度越接近真實(shí)厚度；A 型、（B+防水板+C）型、（A+防水板+C）型試件的實(shí)測(cè)厚度更加偏離真實(shí)厚度；說明400 MHz 頻率天線不適宜40 cm 厚度構(gòu)件的檢測(cè)；

2）900 MHz頻率天線在3 d齡期內(nèi)無法測(cè)試40 cm厚度的試件；在14、28 d 齡期下，四種試件檢測(cè)厚度與實(shí)際厚度基本吻合；齡期越長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度越高，實(shí)測(cè)厚度越真實(shí)。

因?yàn)?，隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，其物質(zhì)狀態(tài)越貼近實(shí)際，只要采用合適頻率的天線，其實(shí)測(cè)厚度與真實(shí)厚度越接近。

3.4 鋼筋影響

由圖1可以看出：

1）齡期7 d時(shí)，900 MHz頻率天線檢測(cè)B 型厚度為0.40 m，但未檢測(cè)出A 型試件厚度；（B+防水板+C）型檢測(cè)厚度為0.51 m，但未測(cè)試出（A+防水板+C）型厚度，上述兩種情況試件的差別僅限于有無配筋；可以推斷，鋼筋影響了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的功能性和準(zhǔn)確性；

2）900 MHz 頻率天線檢測(cè)齡期14 d 時(shí)的四種試件，B 型試件檢測(cè)厚度為0.38 m，A 型為0.39 m，兩者與真實(shí)厚度基本一致；（B+防水板+C）型檢測(cè)厚度為0.50 m，（A+防水板+C）型檢測(cè)厚度0.53 m，兩者與真實(shí)厚度也基本一致；但是，從四個(gè)齡期整體看，未設(shè)配筋的試件檢測(cè)厚度相比設(shè)置配筋的混凝土試件更接近真實(shí)值；因此判定，鋼筋對(duì)電磁波的強(qiáng)反射作用，削弱了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)襯砌混凝土的功能性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1）在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，應(yīng)實(shí)時(shí)標(biāo)定混凝土介電常數(shù)值。

2）檢測(cè)襯砌混凝土質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇最合適的地質(zhì)雷達(dá)頻率天線。

3）防水板對(duì)混凝土厚度的影響是其放大了結(jié)構(gòu)的檢測(cè)厚度。

4）隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，其物質(zhì)狀態(tài)越貼近實(shí)際，只要采用合適的檢測(cè)厚度的頻率天線，其實(shí)測(cè)厚度與真實(shí)厚度越接近。

5）鋼筋對(duì)電磁波的強(qiáng)反射作用，削弱了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)襯砌混凝土的功能性和準(zhǔn)確性。□■