綜合物探方法在水工隧洞襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

陳 志 剛， 杜 曉 凡， 古 小 夢

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司巴塘分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在目前水工隧洞導(dǎo)流和泄水建筑物的設(shè)計(jì)中，高水頭有壓隧洞已成首選，因此，支護(hù)和襯砌混凝土澆筑的施工質(zhì)量和安全與建筑工程的整體安全密切相關(guān)，支護(hù)和襯砌的施工質(zhì)量問題也隨隧洞正常運(yùn)營時(shí)間的增加而逐步擴(kuò)展，最終有可能造成襯砌鋼筋和混凝土的脫落等其他嚴(yán)重后果。

金沙江上游巴塘水電站導(dǎo)流洞工程為特大型有壓隧洞，襯砌混凝土及灌漿質(zhì)量檢測的方法是沖擊回波法、地質(zhì)雷達(dá)法及遠(yuǎn)紅外成像法的綜合運(yùn)用，但這些方法中大多數(shù)只適用于比較有限的區(qū)域，探測深度和精度都有較大的局限性。近年來，從國外引進(jìn)的最新技術(shù)超聲橫波三維成像法廣受青睞，該方法主要是利用橫波在固體空間中的傳播優(yōu)勢，結(jié)合多觸點(diǎn)干式檢波器、合成孔徑聚焦技術(shù)和三維層析成像技術(shù)形成的一套混凝土檢測成像系統(tǒng)。通過綜合物探方法對導(dǎo)流洞工程襯砌混凝土的厚度、鋼筋分布、混凝土密實(shí)度及脫空等進(jìn)行檢測分析，檢測結(jié)果的清晰度、準(zhǔn)確度都比原來單一的方法好，值得提倡。

1 具體檢測方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法主要是一種利用被檢測物體的介質(zhì)在地球上對電磁波反射的特性，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷進(jìn)行檢測的一種無損檢測方法。針對水工隧洞襯砌混凝土和回填灌漿等質(zhì)量的檢測，一般采用250～1 000 MHz的中、高頻雷達(dá)天線效果較好。地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)采集方式見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)采集工作方式示意圖

1.2 沖擊回波法

沖擊回波法采用的傳感器媒介是沖擊彈性波(通常采用其中的 p 波作為主要組成部件)[1]，即由激振器(包括電磁或者機(jī)械式)擊打固體物料表面而產(chǎn)生的彈性波。這種沖擊回波方法的主要特點(diǎn)之一就是充分利用彈性波對被測物體多次反射的特殊性，通過頻譜分析等技術(shù)手段從物體中獲得被測物體的厚度、材質(zhì)及其缺陷等相關(guān)信息。沖擊式回波方法是否產(chǎn)生反射取決于材料的機(jī)械阻抗z的變化。針對水工隧洞襯砌混凝土質(zhì)量和回填灌漿的檢測，信息一般適宜采用可調(diào)節(jié)能量大小的超磁伸縮發(fā)射激振源及頻帶范圍較寬的加速度傳感器接收。沖擊回波法數(shù)據(jù)采集方式見圖2。

圖2 沖擊回波法數(shù)據(jù)采集工作方式示意圖

1.3 超聲橫波三維成像法

超聲共振橫波脈沖反射三維回波成像的方法[2]，主要是基于高頻率超聲共振橫波和高頻脈沖反射回波成像技術(shù)，通過向位于物體一側(cè)的橫波發(fā)射，并回收接收高頻頻率超聲橫波(20～100 kHz)的高頻脈沖回波信號，然后通過采用橫波層疊三維成像的技術(shù)，對其一側(cè)進(jìn)行高頻信號成像處理，得到關(guān)于物體內(nèi)部的高頻超聲共振橫波及其脈沖波所反射的信號強(qiáng)度、位置、規(guī)模等，以及信號量的分布狀態(tài)曲線，最后由此通過高頻數(shù)據(jù)庫的解譯分析而得出關(guān)于物體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。目前，國內(nèi)引進(jìn)的設(shè)備大多是俄羅斯的A1040MIRA混凝土斷層超聲成像儀。

A1040MIRA小型混凝土三維斷層遙控超聲天線成像儀系統(tǒng)通過三維斷層超聲成像橫波天線反射成像技術(shù)，成功進(jìn)行了三維斷層超聲天線成像遙控方法的各種操作。該遙控設(shè)備由三維高相位超聲天線成像陣列、控制處理單元、信息接收和信號處理四個(gè)功能模塊構(gòu)成。每次超聲采集既可直接接收大型多角度的小型超聲高頻橫波間接反射信號，又可接收小型大角度的小型超聲高頻橫波間接反射信號。三維成像法數(shù)據(jù)采集工作方式見圖3。

圖3 超聲橫波反射三維成像法數(shù)據(jù)采集工作方式示意圖

2 三種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)

由于水工隧洞混凝土襯砌及灌漿質(zhì)量缺陷大多具有較大的隱蔽性，傳統(tǒng)的沖擊回波法、地質(zhì)雷達(dá)法及遠(yuǎn)紅外成像法的探測深度和精度都有較大的局限性，因此，分析每種方法的優(yōu)劣，有利于揚(yáng)長避短，更好地服務(wù)工程建設(shè)。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法的優(yōu)缺點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)法無疑以設(shè)備精致簡單、測試效率高的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，該方法在作業(yè)時(shí)每分鐘可測試10 m左右，還可以透過防水板測試初期支護(hù)的噴混凝土密實(shí)狀況。但其劣勢也很明顯，由于采用的是電磁波測試原理，而金屬對電磁波是全反射，所以該方法受鋼筋網(wǎng)、工字鋼(尤其是多層鋼筋網(wǎng))的影響較大。空氣、水對其他電磁波相互反射抵消信號的相位與薄層基巖相位截然相反，因此，當(dāng)使用地質(zhì)表層雷達(dá)檢測遇到了類似空氣和水兩個(gè)混合物時(shí)，其中兩個(gè)反射抵消信號就可能相互反射抵消，進(jìn)而減少雷達(dá)檢測的圖像分辨率。對于地質(zhì)表層基巖脫空、薄層基巖脫空、混凝土與其他基巖的大面積回填、灌漿不密實(shí)、空氣和水的混合物相互共存時(shí)，可能出現(xiàn)地質(zhì)缺陷而不敏感。

2.2 沖擊回波法的優(yōu)缺點(diǎn)

沖擊回波法由于采用的是彈性波測試原理[3]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)雷達(dá)法的部分缺陷和不足，其對鋼筋、水分的影響較小，對復(fù)雜條件下缺陷檢測的分辨率相對較高。但由于傳感器采用固定式的信號接收，需要把傳感器直接固定在一塊襯砌混凝土的表面，而使測試的效率低下(每分鐘一般只能測試5～6個(gè)點(diǎn))。同時(shí)，傳感器的穩(wěn)定性和狀態(tài)也受到了測試結(jié)果的影響，尤其是在襯砌混凝土的表面不均勻、蜂窩麻面和泥皮上影響較大。由于傳感器系統(tǒng)本身就存在一個(gè)共振周期，所以當(dāng)傳感器反射若與一個(gè)信號的周期相近時(shí)，會嚴(yán)重地歪曲頻譜的圖形，產(chǎn)生寄生振蕩，容易導(dǎo)致誤判。

2.3 超聲橫波反射三維成像法的優(yōu)缺點(diǎn)

超聲橫波反射三維成像法采用的是彈性波中的橫波成分，既不受金屬物屏蔽的影響，也不受氣相和液相介質(zhì)的干擾(橫波只在固相介質(zhì)中傳播)，對襯砌混凝土厚度、鋼筋分布、混凝土密實(shí)及脫空均有良好的檢測效果，成果直觀、清晰度、準(zhǔn)確度高[4]。超聲橫波反射三維成像法由于這種技術(shù)采用了頻率高、傳感器矩陣式的布置，每次成像采集既能接受到一個(gè)廣角超聲橫波反射的信號，也能接受一個(gè)較小角度超聲橫波反射的信號，相對沖擊回波法更能對鋼筋分布進(jìn)行準(zhǔn)確定位，增加了檢測成果的多樣性，且可以和地質(zhì)雷達(dá)檢測成果進(jìn)行對比復(fù)核，提高檢測成果的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

3 典型實(shí)例對比及驗(yàn)證

巴塘水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程2 487 m，出口底板高程2 483 m，采用城門洞形，斷面12 m×14 m (寬×高)，洞身長808.98 m。導(dǎo)流洞襯砌包括漸變段、A1型、A2型、B型、C型、D型等多種形式(主要是根據(jù)受力狀況調(diào)整襯砌厚度)，襯砌斷面為16 m×14 m(寬×高)漸變到12 m×14 m(寬×高)。隧洞為高水流有壓隧洞，要求采用堅(jiān)固的襯砌結(jié)構(gòu)，同時(shí)，視受力狀況不同，對圍巖進(jìn)行回填灌漿和固結(jié)灌漿，且灌漿深度為4 m。

在導(dǎo)流洞工程回填灌漿和固結(jié)灌漿結(jié)束后，進(jìn)行襯砌混凝土質(zhì)量及脫空檢測，檢測范圍為頂拱120°范圍。首先選取典型區(qū)域進(jìn)行沖擊回波法試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法對混凝土厚度及脫空位置辨識度較低，經(jīng)過鉆孔驗(yàn)證認(rèn)為該方法的檢測精度達(dá)不到要求。然后采用地質(zhì)雷達(dá)法分別在正頂拱及兩側(cè)拱角(±45°)位置并沿洞軸線方向布置3條普查測線，該方法在采用連測方式時(shí)檢測效率高。在地質(zhì)雷達(dá)法發(fā)現(xiàn)異常的區(qū)域或者大家關(guān)注的重點(diǎn)部位，再布置超聲橫波反射三維成像法測網(wǎng)(采用20 cm×20 cm網(wǎng)格)。兩種方法同時(shí)使用，既有重點(diǎn)區(qū)域的詳查，又有大面積的普查，效果較好。

沖擊回波法試驗(yàn)區(qū)選擇導(dǎo)流洞(導(dǎo)0+631.18 m-導(dǎo)0+713.08 m段)洞頂測線，在某灌漿孔用內(nèi)窺儀確定該部位襯砌混凝土厚度為1.1 m，且存在高度約為20 cm的空腔。在該孔附近布置長度為4 m的沖擊回波法測線，采用參數(shù)與平時(shí)工作一致，檢測結(jié)果表明：底部脫空界面應(yīng)在1.1～1.3 m。而沖擊回波法波譜圖對應(yīng)性較差，對混凝土厚度及脫空位置辨識度較低，多個(gè)測點(diǎn)未收到底部反射準(zhǔn)確信號；因干擾(異常)信號較多，很難分析混凝土澆筑質(zhì)量情況。由于鋼筋混凝土屬于非彈性勻質(zhì)的復(fù)合材料，內(nèi)部存在固有的微型孔道或者微型縫隙，會直接造成整體沖擊力和震動(dòng)能量的迅速衰減。對表層厚度超過1 000 mm的高層建筑物和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行能量測試時(shí)，需要受到較大的附加能量振動(dòng)沖擊，表面波(r波)的能量與較大能量振動(dòng)，可能帶來其他附加能量的相互影響，這就會直接造成振動(dòng)信號采集困難，降低振動(dòng)頻譜信號分析的準(zhǔn)確性。根據(jù)導(dǎo)流洞及泄洪放空洞的實(shí)際情況，沖擊回波法檢測存在明顯的局限性。沖擊回波法試驗(yàn)測區(qū)典型波譜見圖4。

圖4 導(dǎo)0+631.18 m～導(dǎo)0+713.08 m沖擊回波法波譜圖(明顯脫空)

地質(zhì)雷達(dá)法與超聲橫波反射三維成像法對比試驗(yàn)區(qū)選擇在導(dǎo)流洞第1灌漿單元(導(dǎo)0+00.00-導(dǎo)0+25.00段)[5]，該部位襯砌混凝土類型為漸變段和A1型，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證襯砌混凝土總體密實(shí)，無明顯缺陷。兩種方法的檢測結(jié)果表明:由于表層環(huán)向鋼筋排列基本整齊，局部位置起伏較大，所以鋼筋的數(shù)量基本滿足設(shè)計(jì)的要求；其中的保護(hù)層厚度一般控制在7～ 10 cm ，局部10～13 cm。由于漸變段襯砌混凝土較厚，地質(zhì)雷達(dá)法的電磁波信號在混凝土與基巖接觸面位置損失較大，導(dǎo)致襯砌混凝土厚度界面相對模糊。超聲橫波反射三維成像法在導(dǎo)0+16.18-導(dǎo)0+24.18段反映的襯砌混凝土厚度為1.5～1.65 m，彌補(bǔ)了地質(zhì)雷達(dá)法的部分不足?？傮w來說，地質(zhì)雷達(dá)法與超聲橫波反射三維成像法的測試結(jié)果一致性好，結(jié)論均無明顯缺陷(脫空)。兩種方法的典型波譜詳見圖5、圖6。

圖5 頂拱中線導(dǎo)0+15.68～導(dǎo)0+25.00地質(zhì)雷達(dá)法波譜圖(無明顯脫空)

圖6 頂拱中部導(dǎo)0+16.18～導(dǎo)0+24.18超聲橫波反射三維成像波譜圖(無明顯脫空)

4 結(jié) 語

為提高水工隧洞混凝土襯砌脫空檢測精準(zhǔn)度，從混凝土襯砌脫空地球物理響應(yīng)特征出發(fā)，引入了沖擊回波法、地質(zhì)雷達(dá)法、超聲橫波三維反射成像法綜合物探檢測方法，結(jié)合三種方法在水工隧洞混凝土襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用及驗(yàn)證情況，對混凝土襯砌檢測中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析總結(jié)。通過理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用效果對比，在水工隧洞襯砌混凝土質(zhì)量檢測中，聯(lián)合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法和超聲橫波反射三維成像法作為普查和詳查手段，對提高襯砌混凝土內(nèi)部缺陷(脫空)的檢測率非常有利。

實(shí)踐證明，沖擊回波法對混凝土厚度及脫空位置辨識度較低，僅適用于200～600 mm的薄板測厚(如鋼襯段)，對于襯砌厚度超過1 m的水工隧洞存在較大的局限性。地質(zhì)雷達(dá)法測試效率高，但受鋼筋和水介質(zhì)的影響大，對表層及規(guī)模小的缺陷不敏感。超聲橫波反射三維成像法可以規(guī)避金屬物的屏蔽，工作條件要求不高，成果直觀且準(zhǔn)確，有著廣闊的應(yīng)用前景。