預(yù)防施工時(shí)期水利隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法研究

唐啟善

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300000)

水利工程基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷地增大，對(duì)隧道襯砌的質(zhì)量要求也不斷地升高，作為預(yù)防施工時(shí)期的重要組成結(jié)構(gòu)，隧道襯砌的質(zhì)量一直是水利工程技術(shù)部門重要的質(zhì)量監(jiān)測(cè)對(duì)象[1]，為此針對(duì)隧道的組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法。綜合已知的襯砌問(wèn)題可知，襯砌結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境的影響下，受力點(diǎn)產(chǎn)生一定的隧道病害，甚至是產(chǎn)生工程坍塌的危險(xiǎn)[2]。根據(jù)水利設(shè)計(jì)要求可知，襯砌結(jié)構(gòu)有著多種的組合形式，常常由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，襯砌的外層結(jié)構(gòu)常用作支護(hù)結(jié)構(gòu)，在錨噴、掛網(wǎng)以及鋼排架的作用下，構(gòu)建形成單一或是組合支護(hù)的形式，控制襯砌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀可知，當(dāng)今檢測(cè)方法主要分為直接檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)兩種研究方向[3]。直接檢測(cè)方法需要在樣本內(nèi)鉆孔取芯，來(lái)獲取襯砌質(zhì)量情況，而無(wú)損檢測(cè)方法可在不影響原本混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)情況下獲得質(zhì)量情況，能夠得到大范圍襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量參數(shù)，反映襯砌的真實(shí)狀態(tài)[4]。綜合上述結(jié)果可知，在預(yù)防施工時(shí)期，研究一種隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法是很有必要的。

1 預(yù)防施工時(shí)期水利隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法研究

1.1 確定隧道埋深反演速度

預(yù)防施工時(shí)期需要雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，以開(kāi)挖形成的鉆孔得到的隧道深度作為已知量[5]，構(gòu)建一個(gè)雷達(dá)波在預(yù)防施工時(shí)期的平均速度，可表示為

(1)

式中h——隧道所在位置的深度；

t——雷達(dá)波在隧道內(nèi)雙程的走時(shí)。

隧道內(nèi)存在大量的鋼筋或是金屬管線，在接收到雷達(dá)波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的繞射，產(chǎn)生的繞射過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 隧道產(chǎn)生的雙曲線反射

根據(jù)圖1所示的雙曲線反射可知，當(dāng)探測(cè)點(diǎn)從A點(diǎn)移動(dòng)至B點(diǎn)時(shí)，隧道內(nèi)的金屬物質(zhì)M與探測(cè)點(diǎn)間的距離為tA與tB，也就在隧道剖面上形成一個(gè)雙曲線弧[6]，雷達(dá)波長(zhǎng)在地質(zhì)條件以及隧道的雙重作用下的實(shí)際傳播速度就可表示為

(2)

式中d——探測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)距離。

在該傳播速度的控制下，就可計(jì)算得到隧道在預(yù)防施工階段的埋深數(shù)值，可表示為

(3)

上述計(jì)算公式中，各項(xiàng)參數(shù)含義不變。由于襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，存在多種異電性介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)電性形成的不連續(xù)性，雷達(dá)波會(huì)在襯砌表面形成一個(gè)反射作用[7]，根據(jù)雷達(dá)波與襯砌形成的夾角，入射波在襯砌形成折射時(shí)遵循的規(guī)律就可表示為

(4)

式中θi——雷達(dá)波入射角；

θt——雷達(dá)波反射角；

v1——雷達(dá)入射波的波速；

v2——雷達(dá)波的反射波速；

n——入射波之間的折射參數(shù)，為一個(gè)固定數(shù)值。

當(dāng)雷達(dá)波在襯砌中上層介質(zhì)入射到下層介質(zhì)時(shí)，會(huì)形成一個(gè)平面橫波[8]，綜合上述計(jì)算得到的雷達(dá)波入射角參數(shù)，就可得到埋深反演速度，可表示為

(5)

式中ε1，ε2——襯砌層中的介質(zhì)參數(shù)；

其余參數(shù)含義不變。

根據(jù)上述計(jì)算得到的反演參數(shù)，控制雷達(dá)波處于垂直入射的狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算得到的反演數(shù)值就為0，此時(shí)襯砌在接收雷達(dá)波時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生折射損失[9]。在上述構(gòu)建得到的隧道埋深與反演速度關(guān)系下，計(jì)算檢測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的襯砌厚度。

1.2 計(jì)算襯砌厚度

在上述反演速度下，襯砌在隧道中存在兩種不同大小的介電常數(shù)，根據(jù)上述構(gòu)建的數(shù)值關(guān)系，隧道襯砌中的反射系數(shù)為負(fù)值[10]，以單道雷達(dá)波作為探測(cè)隧道襯砌厚度的工具后，就可探測(cè)得到隧道與外部介質(zhì)間形成的分界面，見(jiàn)圖2。

圖2 隧道襯砌分界面

在圖2所示的分界面上，綜合襯砌在分界面上雷達(dá)波速，采用層位追蹤[11]，在單波雷達(dá)波上構(gòu)建形成雙程走時(shí)，此時(shí)襯砌的高度就可表示為

(6)

式中v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；

t——雷達(dá)波在隧道內(nèi)的雙程走時(shí)參數(shù)；

H——襯砌高度。

在上述計(jì)算得到的襯砌高度控制下，構(gòu)建形成一個(gè)厚度檢測(cè)過(guò)程，見(jiàn)圖3。

圖3 襯砌厚度檢測(cè)過(guò)程

在圖3所示的檢測(cè)過(guò)程下，襯砌厚度就可表示為

(7)

式中d——計(jì)算得到的襯砌厚度；

其余參數(shù)含義不變。

綜合考慮上述計(jì)算得到的襯砌厚度，構(gòu)建一個(gè)質(zhì)量檢測(cè)方法。

1.3 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)

在上述分界面以及計(jì)算得到的襯砌厚度的基礎(chǔ)上，將襯砌區(qū)域確定為空間采樣區(qū)域，在球形隧道空洞上方布置一條測(cè)線[12]，測(cè)線上設(shè)置兩種采樣點(diǎn)距，隧道襯砌在采樣點(diǎn)距上形成的波形剖面見(jiàn)圖4。

圖4 形成的襯砌剖面波形

由圖4所示的剖面波形可知，實(shí)際空間采樣點(diǎn)形成多個(gè)質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)[13]，根據(jù)時(shí)間變化，構(gòu)建一個(gè)襯砌彈性模量關(guān)系，計(jì)算公式可表示為

(8)

式中δ——襯砌面上質(zhì)量采集點(diǎn)的數(shù)量；

μ——泊松比；

E——計(jì)算得到的彈性模量。

在上述數(shù)值關(guān)系下，將彈性模量中存在的有用能量作為質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)[14]，首先計(jì)算該部分有用能量產(chǎn)生的最大頻率：

(9)

式中N——有用能量產(chǎn)生的應(yīng)力波數(shù)值；

其余參數(shù)含義不變。

在頻率數(shù)值的控制下，構(gòu)建得到一個(gè)質(zhì)量參數(shù)判斷公式，可表示為

(10)

式中ε——質(zhì)量參數(shù)的修正級(jí)；

j——襯砌介質(zhì)產(chǎn)生的弛豫時(shí)間；

其余參數(shù)含義不變。

在該質(zhì)量參數(shù)控制下，定義計(jì)算得到的Q(w)數(shù)值大于1時(shí)，則表明襯砌質(zhì)量符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)襯砌質(zhì)量參數(shù)小于數(shù)值1時(shí)，則表明襯砌質(zhì)量不符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)[15]。綜合上述處理，最終完成對(duì)預(yù)防施工時(shí)期水利隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法的研究。

2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備水利隧道襯砌制造所需的材料，設(shè)定襯砌構(gòu)件的尺寸參數(shù)以及輔助零件工具的尺寸。設(shè)定的襯砌構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 使用的襯砌構(gòu)件種類及參數(shù)

在表1的構(gòu)件種類以及參數(shù)控制下，控制襯砌區(qū)域后，形成建造方案(見(jiàn)圖5)。

圖5 制定的建造方案

在圖5制定的襯砌建造方案下，劃定襯砌的檢測(cè)區(qū)域后，在素混凝土襯砌區(qū)域位置內(nèi)，采用檢波器檢測(cè)襯砌構(gòu)件的質(zhì)量參數(shù)，在標(biāo)記質(zhì)量參數(shù)時(shí)，使用采樣點(diǎn)參數(shù)為512次掃描、介電常數(shù)為6.25F/m且時(shí)間窗口為30ns的雷達(dá)作為輔助探測(cè)儀器，并以得到的參數(shù)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。使用文獻(xiàn)[3]中的質(zhì)量檢測(cè)方法、文獻(xiàn)[8]中的質(zhì)量檢測(cè)方法以及文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種質(zhì)量檢測(cè)方法的性能。

2.2 結(jié)構(gòu)及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)定隧道襯砌的里程參數(shù)為D210+340～D210+390后，以制定建造方案中邊墻設(shè)計(jì)數(shù)值作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)三種質(zhì)量檢測(cè)方法測(cè)量得到的邊墻檢測(cè)數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 邊墻檢測(cè)數(shù)值結(jié)果

續(xù)表

控制三種檢測(cè)方法測(cè)量構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值為設(shè)計(jì)值后，根據(jù)表2中的數(shù)值可知，文獻(xiàn)[3]中的檢測(cè)方法測(cè)量得到的邊墻數(shù)值與設(shè)計(jì)值之間數(shù)值差在0.01mm左右，測(cè)量得到的邊墻數(shù)值誤差較大，文獻(xiàn)[8]中的檢測(cè)方法測(cè)量得到的邊墻數(shù)值與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差在0.015mm左右，誤差數(shù)值最大，而文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法測(cè)量得到的邊墻數(shù)值與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差在0.015mm左右，與兩種文獻(xiàn)中檢測(cè)方法相比，該種檢測(cè)方法測(cè)量得到的襯砌邊墻數(shù)值最準(zhǔn)確。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，在預(yù)防施工階段，將隧道襯砌劃分為十個(gè)檢測(cè)區(qū)，以檢測(cè)區(qū)內(nèi)的拱腰部分作為處理對(duì)象，使用雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備，探測(cè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)存在的空隙，最終三種質(zhì)量檢測(cè)方法得到的空隙結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三種檢測(cè)方法得到的空隙結(jié)果

根據(jù)表3的空隙數(shù)量結(jié)果可知，將隧道襯砌區(qū)域劃分為十個(gè)測(cè)量區(qū)域后，文獻(xiàn)[3]中檢測(cè)方法得到的空隙數(shù)量在4～5之間，實(shí)際得到的空隙數(shù)量較多，與實(shí)際存在的空隙數(shù)量不符。文獻(xiàn)[8]中檢測(cè)方法得到的空隙數(shù)量在6～8之間，得到的空隙數(shù)量最多，而文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法得到的空隙數(shù)量在2～3之間，與實(shí)際存在的空隙數(shù)量相等。

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，以建造得到的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)作為處理對(duì)象，劃定襯砌為相同的測(cè)量區(qū)域后，以雷達(dá)結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的空洞區(qū)域作為對(duì)比指標(biāo)，雷達(dá)探測(cè)得知實(shí)際構(gòu)件中存在五個(gè)小范圍的空洞區(qū)，最終三種檢測(cè)方法檢測(cè)得到的空洞區(qū)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 三種檢測(cè)方法得到的空洞區(qū)

由圖6可知，以三種檢測(cè)方法同時(shí)檢測(cè)相同的隧道襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，已知構(gòu)件實(shí)際的空洞區(qū)數(shù)量為5，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，文獻(xiàn)[3]中的檢測(cè)方法得到的空洞區(qū)數(shù)量為16，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際數(shù)量，文獻(xiàn)[8]中的檢測(cè)方法得到的空洞區(qū)數(shù)量為12，數(shù)量較大，而文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法檢測(cè)得到空洞區(qū)數(shù)量為7，與實(shí)際測(cè)量得到的空洞區(qū)相比，該種檢測(cè)方法得到的空洞區(qū)數(shù)量最準(zhǔn)確。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性，適合實(shí)際測(cè)量過(guò)程中運(yùn)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

水利工程技術(shù)要求不斷升高，對(duì)隧道襯砌質(zhì)量需求也不斷上升，在預(yù)防施工時(shí)期，構(gòu)建一種水利隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法，能夠改善現(xiàn)有質(zhì)量檢測(cè)方法存在的不足，為今后檢測(cè)襯砌質(zhì)量提供理論支持。