關于隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置的研究＊

李夢晨，趙之仲，王日升

（山東交通學院交通土建工程學院，山東 濟南250357）

1 引言

隧道工程是隱蔽性工程，襯砌完工后肉眼很難看清襯砌厚度與襯砌背后的狀況。盡管施工后定期采用無損檢測技術檢查隧道襯砌質(zhì)量，但由于各種原因，檢測結果仍不令人滿意，甚至一些地方只能采取人工敲擊的方法來檢查隧道襯砌的質(zhì)量[1]。隧道工程受地質(zhì)作用影響較大，隧道開挖使圍巖應力得到釋放，要在很長時間內(nèi)調(diào)整支護后應力。如果圍巖較差，襯砌背后土質(zhì)松軟無力，運營后，在動荷載的作用下，加上地質(zhì)與水文的作用，會產(chǎn)生隧道病害[2]。

目前，對于隧道拱頂質(zhì)量的檢測，除了人工敲擊檢查外，最常用的無損檢測方法是接觸式探地雷達方法。需在停電的情況下使雷達天線緊貼隧道壁，一般一次只布置一條測線，接觸網(wǎng)的遮擋致使拱頂檢測十分困難，且對隧道病害進行檢測的同時需要禁止通車或限行，給隧道的運營以及人們的正常出行帶來極大的不便，因此利用探地雷達進行隧道病害檢測難以滿足現(xiàn)狀和日益增長的交通需求。山東大學發(fā)明的隧道二襯質(zhì)量雷達檢測多功能輔助裝置中包含了雷達天線固定裝置，與固定裝置連接的升降機構、與升降結構連接的環(huán)向行走機構及其動力系統(tǒng)，采用逐面探測的方式進行病害探測，雖然數(shù)據(jù)準確，但效率低下。

在這種背景下，本文將激光檢測和雷達檢測相結合研制出的新型檢測裝置，能夠快速、準確、無損檢測隧道襯砌的病害，實時檢測，隨時反饋隧道襯砌的健康完好狀況。

2 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置的結構設計

本文研究的裝置包括軌道、行走機構、安裝平臺、中控室、激光隧道斷面檢測儀和探地雷達檢測儀共六部分。所述軌道固定在隧道內(nèi)襯上，兩根軌道在隧道內(nèi)沿著隧道的方向設置，彼此平行，吊裝的安裝平臺位于軌道下方，在行走機構的驅動下該安裝平臺具有沿著軌道方向運動的動作，在安裝平臺上固定弧形支架，該弧形支架平行于隧道斷面，且在弧形支架上可滑動的安裝滑臺，滑臺內(nèi)安裝著電機和齒輪，該齒輪與弧形支架上的齒嚙合，滑臺具備沿著弧形支架行走的動作；探地雷達檢測儀固定在所述滑臺上且該探地雷達檢測儀的雷達工作面正對著隧道內(nèi)襯；激光隧道斷面檢測儀設置在安裝平臺上且該激光隧道斷面檢測儀的激光工作面正對著隧道內(nèi)襯。此裝置還包括與弧形支架平行的弧形導軌，該弧形導軌固定在上述安裝平臺上。在該弧形支撐架上設置有一個大體相當?shù)幕⌒螌к墸摶⌒螌к墐啥税惭b在弧形支撐架端蓋上，并使得兩個弧形體保持基本平行的等距間隔，所述雷達工作面與隧道內(nèi)襯基本貼合；所述激光隧道斷面檢測儀為BJSD-T2 型激光隧道斷面檢測儀，該激光隧道斷面檢測儀直立地安裝于安裝平臺的前端側面部；所述行走機構包括驅動電機和一套減速器，并通過摩擦輪的摩擦傳動與軌道配合。

3 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置的具體實施方式

本文研究的此種安置在隧道襯砌上的有軌式檢測隧道內(nèi)襯病害情況的檢測裝置，其結構如圖1～圖6 所示，設有軌道、行走機構、安裝平臺及中控室、激光隧道斷面檢測儀、安裝支架、探地雷達檢測儀、弧形支架、驅動機構。

圖1 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置結構1

圖2 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置結構2

圖3 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置結構3

圖4 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置結構4

圖5 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置結構5

圖6 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置結構6

上述的軌道部分采用L 角鋼，通過錨栓等工具固定在隧道內(nèi)襯上。在隧道內(nèi)沿著隧道的方向設置軌道，數(shù)量為兩個，彼此平行，支撐行走機構，形成驅動。安裝平臺位于軌道下方空間內(nèi)，用于安裝中控室、激光隧道斷面檢測儀、探地雷達檢測儀等功能儀器。其中安裝平臺采用鋁合金骨架，通過鉚接形成一個長方體框架，并在該鋁合金骨架的外側覆蓋一層鋁板，形成一個封閉的空間，該封閉的空間為中控室的安裝空間，用于安裝控制電路板、信號發(fā)射和接受器、電源等電氣元件。在鋁合金骨架上安裝激光隧道斷面檢測儀、安裝支架、探地雷達檢測儀、弧形支架，所述激光隧道斷面檢測儀直立地安裝于安裝平臺的前端側面部，安裝后，將該激光隧道斷面檢測儀上自帶的激光傳感器，對準隧道內(nèi)襯面，即對準弧形的內(nèi)襯面進行掃描，在具體的檢測工作中，先用激光對隧道拱頂斷面進行掃描。每次掃描完一個斷面，行走機構中的電動機開始工作，行走機構驅動上述的安裝平臺及其附件行走一段距離。行走機構驅動整個裝置行走，具體來說，在安裝平臺上部安裝有四根吊桿，吊桿上端安裝有尼龍輪或者鋼輪，簡稱行走輪，并在其中的一根吊桿上安裝行走機構，行走機構由一個驅動電機、一套減速器和一個摩擦輪組成，上述的驅動電機通過減速器驅動摩擦輪進行轉動，摩擦輪則與對應吊桿上的行走輪進行摩擦配合，如此驅動整個裝置沿著軌道運動。

當激光隧道斷面檢測儀檢測到內(nèi)襯局部有缺陷或者損壞時，使用探地雷達進行二次詳細確認掃描，該探地雷達通過近距離的檢測，進一步確定內(nèi)襯損壞的程度、大小和其他因素。所述探地雷達安裝在一個弧形支架上，將該支架做成弧形，即與隧道弧形部大體相當?shù)幕⌒沃渭?，該弧形支架的中部通過緊固件固定在上述的安裝平臺上，具體來說，安裝在安裝平臺的后部，與上述的激光隧道斷面檢測儀相對地一前一后設置在安裝平臺上。在該弧形支撐架上設置一個大體相當?shù)幕⌒螌к?，該弧形導軌兩端安裝在弧形支撐架端蓋上，并使得兩個弧形體保持基本平行的等距間隔。

在弧形導軌上安裝一個滑臺，滑臺內(nèi)安裝有微型電機和齒輪，構成驅動機構，在弧形支架上設置有與上述齒輪嚙合配合的齒。也就是說，通過上述微型電機和齒輪嚙合可以使滑道在弧形導軌所在的弧形面上進行移動，該移動位置基本覆蓋隧道內(nèi)襯弧形部，當激光隧道斷面檢測儀發(fā)現(xiàn)大致的損壞部位后，啟動該滑臺，采用自動或者半自動或者遙控控制方式將該滑臺移動到對應的損壞位置，進行復檢。

所述探地雷達工作面正對著隧道內(nèi)襯，其與上述的隧道內(nèi)襯基本貼合，通過近距離掃描獲得病害的詳細信息。所述探地雷達是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度。

4 隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置工作過程

裝置啟動后，激光隧道斷面檢測儀會沿既定導軌對隧道斷面進行全方位掃描，如果沒有發(fā)現(xiàn)病害，則前進一段距離，例如1 m，掃描下一個斷面。當發(fā)現(xiàn)隧道病害后，由于斷面檢測儀的精度不如探地雷達，此時中控室將自動啟動探地雷達，將探地雷達沿導軌移動至病害部位，進一步檢測病害。由于探地雷達能夠沿著弧形導軌移動，且與隧道內(nèi)襯基本處于貼合狀態(tài)，二者間隙小于1 cm，因此獲得的病害數(shù)據(jù)更加精準。

采用本文研究的隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置，對隧道拱頂質(zhì)量按照設定的程序進行自動監(jiān)測，不僅在一定程度上減輕了人力負擔，還能夠降低利用探地雷達檢測時對于監(jiān)測圖像的人為主觀判斷的失誤率，克服了以往檢測裝置的弊端，改進了技術，具有激光檢測和探地雷達檢測的雙重優(yōu)勢。因此，此裝置適用于任何情況下的隧道襯砌的病害檢測，成本低，檢測效果好，推廣前景好。

5 結論

采用本文研究的隧道拱頂質(zhì)量無損檢測裝置，可以對隧道拱頂質(zhì)量進行無損檢測，不僅克服了以往檢測裝置的弊端，而且改進了技術，具有激光檢測和探地雷達檢測的雙重優(yōu)勢。在進行具體的檢測時，其軌道與內(nèi)襯的高度貼合能在不影響車輛正常通行、不影響隧道正常運營的情況下對隧道拱頂質(zhì)量進行實時監(jiān)測，大大提高了檢測效率及檢測質(zhì)量。