無損檢測技術(shù)在隧道工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

梁 鑫

（山東恒建工程監(jiān)理咨詢有限公司，山東 濰坊 261000）

隧道質(zhì)量檢測是隧道施工與竣工驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)，對(duì)隧道質(zhì)量評(píng)價(jià)和安全狀態(tài)監(jiān)控都有重要意義，為避免檢測給隧道結(jié)構(gòu)造成的破壞及影響，時(shí)常采用無損檢測方法進(jìn)行檢測，在不同的無損檢測技術(shù)中，又以地質(zhì)雷達(dá)較為常用。

1 工程概況

某路段分布3座隧道（記作1#-3#隧道），其總長約3.9 km，洞內(nèi)行車道的寬度為7 m，雙向雙車道，跨寬10.7 m，凈高7 m，限高5 m，2#隧道采用柱式洞門。該沿線隧道從正式投運(yùn)到現(xiàn)在，產(chǎn)生很多裂縫和滲漏，雖然進(jìn)行了維護(hù)整修，但滲漏情況越發(fā)嚴(yán)重。為正確且深入掌握隧道圍巖與其結(jié)構(gòu)，確定導(dǎo)致病害發(fā)生的具體原因，并對(duì)隧道運(yùn)行狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，需引入無損檢測技術(shù)。本次主要采用的無損檢測技術(shù)為地質(zhì)雷達(dá)。以下結(jié)合該隧道群實(shí)際情況，對(duì)其質(zhì)量檢測過程中無損檢測技術(shù)具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

2 無損檢測技術(shù)概述——以地質(zhì)雷達(dá)為例

地質(zhì)雷達(dá)主要由以下幾部分構(gòu)成：其一，便攜式主機(jī)；其二，收發(fā)天線；其三，綜合控制電纜；其四，測量輪（選配）；其五，電瓶；六，數(shù)據(jù)采集與處理軟件。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理為：借助高頻脈沖電磁波對(duì)混凝土與其下伏介質(zhì)實(shí)際分布狀態(tài)進(jìn)行探測，是現(xiàn)階段常用的無損檢測技術(shù)之一，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻電磁波經(jīng)天線發(fā)射至目標(biāo)混凝土中，同時(shí)由接收機(jī)對(duì)介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行接收，同時(shí)充分考慮電磁波傳播過程中由于介質(zhì)自身電磁性發(fā)生變化或介質(zhì)自身幾何形狀發(fā)生變化引起的相位變化、回波能量波動(dòng)及波形改變，進(jìn)而采用計(jì)算機(jī)與濾波程序采集、處理所有反射波，根據(jù)反射波的波形、運(yùn)行時(shí)間與回波能量分布情況確定地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，提供準(zhǔn)確可靠的質(zhì)量檢測成果，為下一步工作的決策提供可靠參考。

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)應(yīng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)要求：①系統(tǒng)增益應(yīng)達(dá)到150 dB以上；②信噪比達(dá)到60 dB以上；③采樣間隔不能超過0.5 ns，且A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換要達(dá)到16位以上；④計(jì)時(shí)誤差不超過1 ns；⑤可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測及連續(xù)測量，同時(shí)在連續(xù)測量過程中掃描速率應(yīng)達(dá)到64次/s以上；⑥具有可選的信號(hào)疊加、實(shí)時(shí)濾波、時(shí)窗、增益、點(diǎn)測與連續(xù)測量、手動(dòng)與自動(dòng)位置標(biāo)記功能；⑦可在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)檢測和顯示。

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)要求：①探測體厚度應(yīng)達(dá)到天線有效波長25%以上；②探測體寬度或兩個(gè)相鄰的探測體可分辨最小間隔距離應(yīng)達(dá)到探測天線有效波第一聶菲爾帶半徑以上；③測線通過的表面應(yīng)保持平緩，且沒有障礙存在，以免影響天線正常移動(dòng)；④遠(yuǎn)離高電導(dǎo)屏蔽層；⑤地質(zhì)雷達(dá)天線支持多種天線組合形式，但要滿足以下要求：具備良好的屏蔽功能、探測深度需達(dá)到2 m以上、垂直方向分辨率需達(dá)到2 cm以上。

3 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測工作存在的問題與解決措施

目前，地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)在隧道檢測領(lǐng)域得到很多影響，但這不代表這項(xiàng)檢測技術(shù)在隧道檢測領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用不會(huì)受到影響，反而有很多因素會(huì)給檢測造成影響，導(dǎo)致檢測過程或結(jié)果出現(xiàn)不同問題，這些問題主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）原理方面：因地質(zhì)雷達(dá)檢測以電磁波為主要原理，所以確定適宜的介電常數(shù)是采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測和后期數(shù)據(jù)處理過程的一個(gè)重要影響因素，和隧道有關(guān)的常見介質(zhì)包括空氣、純水、混凝土、粘土和凝灰?guī)r，其主要物性參數(shù)為：①空氣：電導(dǎo)率為0，相對(duì)介電常數(shù)為1，速度為0.3 m/ns，衰減系數(shù)為0；②純水：電導(dǎo)率在1.0×10-3~3.0×10-2sm范圍內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)為81，速度為0.033 m/ns，衰減系數(shù)為0.1 dB·m-1；③混凝土：電導(dǎo)率為1.0×10-7sm，相對(duì)介電常數(shù)為6.4，速度為0.12 m/ns，衰減系數(shù)在0.03~1 dB·m-1范圍內(nèi)；④粘土：電導(dǎo)率在0.1~1 sm范圍內(nèi)，相對(duì)介電常數(shù)在8~10范圍內(nèi)，速度為0.06 m/ns，衰減系數(shù)在1~100 dB·m-1范圍內(nèi)；⑤凝灰?guī)r：電導(dǎo)率為4.0×10-6sm，相對(duì)介電常數(shù)為6，速度為0.12 m/ns，衰減系數(shù)在0.4~1 dB·m-1范圍內(nèi)。電磁波傳播過程中會(huì)受到鐵質(zhì)媒介很大影響，而隧道中存在很多鐵質(zhì)媒介，包括電纜、臺(tái)車、鋼筋和管件，所以這必然會(huì)對(duì)檢測造成影響。

（2）操作方面：①采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道初期支護(hù)進(jìn)行檢測時(shí)，因初期支護(hù)表面未能達(dá)到平整，導(dǎo)致檢測過程中里程記錄存在誤差，進(jìn)而導(dǎo)致檢測結(jié)果誤判；②天線操作人員未經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)，無法進(jìn)行規(guī)范操作，導(dǎo)致檢測結(jié)果產(chǎn)生明顯誤差；③現(xiàn)場檢測過程中，參數(shù)采集設(shè)置情況會(huì)對(duì)采集信號(hào)質(zhì)量造成影響；④檢測人員自身水平良莠不齊，對(duì)完全一致的檢測結(jié)果會(huì)給出不同的判讀結(jié)果。

針對(duì)以上采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測時(shí)存在的實(shí)際問題，充分考慮以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可采取以下措施加以解決和改進(jìn)：

①在不同段落及施工階段，隧道襯砌結(jié)構(gòu)有不同介電常數(shù)，針對(duì)這一實(shí)際情況，即便同一座隧道，亦不可只采用一種介電常數(shù)來檢測，對(duì)在不同時(shí)期進(jìn)行施工的段落，需分別做好現(xiàn)場標(biāo)定，進(jìn)而盡量減小誤差。②采用地質(zhì)雷達(dá)開展現(xiàn)場檢測工作的過程中，要做好現(xiàn)場環(huán)境記錄，這是確保后期數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。在實(shí)際工作中，需對(duì)所有可能影響到檢測的干擾進(jìn)行記錄，包括照明裝置、車輛、人員與設(shè)備，注明這些干擾因素的位置以及和測線之間的距離。③現(xiàn)場檢測過程中，若存在表面平整度較差的段落，不可借助系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)測距，而是要通過時(shí)間觸發(fā)完成數(shù)據(jù)采集，按照5 m的間隔距離采用手動(dòng)方式做好標(biāo)記，期間應(yīng)確保天線保持恒定勻速運(yùn)行。④加強(qiáng)專業(yè)人員培訓(xùn)，安排專人負(fù)責(zé)天線操作，也可由專門的技術(shù)人員來操作。當(dāng)由技術(shù)人員負(fù)責(zé)操作時(shí)，所有操作人員必須經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)，以確保操作可以達(dá)到規(guī)范，如果現(xiàn)場的操作人員已經(jīng)無法適應(yīng)檢測要求，應(yīng)立即換人，以免人為因素給檢測過程及結(jié)果造成不利影響。⑤采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果持續(xù)優(yōu)化各項(xiàng)檢測參數(shù)。與此同時(shí)，在現(xiàn)場檢測過程中，還需針對(duì)不同目標(biāo)及天線承載方式確定適宜的檢測參數(shù)。⑥采用預(yù)設(shè)缺陷模型使不同的缺陷都能在圖譜上得以直觀顯現(xiàn)，進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)化圖譜，以此為現(xiàn)場檢測工作提供可靠指導(dǎo)。

4 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測步驟

4.1 現(xiàn)場采集準(zhǔn)備

采用地質(zhì)雷達(dá)開展現(xiàn)場檢測工作之前，應(yīng)先做好下列各項(xiàng)準(zhǔn)備工作：

①對(duì)待測目標(biāo)的基本性質(zhì)與特點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。②做好測線布置，對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行記錄，并據(jù)此確定適宜的雷達(dá)天線。③按照作業(yè)要求設(shè)置采集設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)。④對(duì)介電常數(shù)予以嚴(yán)格的現(xiàn)場標(biāo)定。⑤做好上述各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后開始正式檢測作業(yè)。

4.2 測線布置

（1）隧道質(zhì)量檢測方式主要為縱向布線，輔以必要的橫向布線。縱向布線具體位置為拱頂、拱腰、邊墻及底部，而橫向布線的位置和距離根據(jù)具體檢測內(nèi)容及要求確定，沒有特殊要求時(shí)，測線線距均按8~12 m控制，當(dāng)采用點(diǎn)測的方法時(shí)，單個(gè)斷面的測點(diǎn)數(shù)量需達(dá)到6個(gè)以上。另外，如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常地段，則需對(duì)測線或測點(diǎn)進(jìn)行加密。

（2）在隧道竣工驗(yàn)收過程中，同樣主要進(jìn)行縱向布線，只有在必須的情況下才進(jìn)行橫向布線?？v向布線具體位置包括拱頂、拱腰及邊墻，測線線距均按8~12 m控制，當(dāng)采用點(diǎn)測的方法時(shí)，單個(gè)斷面的測點(diǎn)數(shù)量需達(dá)到5個(gè)以上。當(dāng)需要通過檢測確定空洞范圍與規(guī)模大小時(shí)，需對(duì)測線與測點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用堋?/p>

（3）對(duì)于三線隧道，需在拱頂處增設(shè)兩條測線，并在測線上按照5~10 m的間隔距離設(shè)置歷程標(biāo)記。

4.3 介質(zhì)參數(shù)標(biāo)定

檢測開始前需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，每座隧道都要進(jìn)行，且實(shí)測數(shù)量達(dá)到3次以上，將平均值作為最終的介電常數(shù)。對(duì)于長度超過3 km或襯砌結(jié)構(gòu)材料或?qū)嶋H含水率產(chǎn)生較大變化的隧道，需增加標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量。具體的標(biāo)定方法為：在厚度信息已知或材料和隧道已知的其他構(gòu)件上進(jìn)行測量；在隧道的洞口或內(nèi)部不會(huì)受到來往車輛影響的部位采用直達(dá)波法進(jìn)行測量；在必要的情況下可通過鉆孔實(shí)測加以驗(yàn)證。

4.4 參數(shù)求取條件

（1）標(biāo)定目標(biāo)厚度需達(dá)到15 cm以上，同時(shí)厚度應(yīng)已知。（2）標(biāo)定記錄中所有界面反射信號(hào)都必須清晰和準(zhǔn)確。

4.5 標(biāo)定結(jié)果計(jì)算

（1）介質(zhì)相對(duì)電導(dǎo)系數(shù)與電磁波速度可采用以下公式計(jì)算得出：

（2）參數(shù)采取如表1所示。

表1 不同圍巖條件下的電磁波波速

4.6 測量時(shí)窗確定

測量時(shí)窗長度與采樣率可采用以下公式計(jì)算得出：

不同檢測項(xiàng)目的天線頻率、待測厚度與時(shí)窗均不相同：①初支厚度檢測：天線頻率為800~1 000 MHz，待測厚度為5~30 cm，時(shí)窗為1.5~9 ns；②初支背后回填檢測：天線頻率為400~900 MHz，待測厚度大于30 cm，時(shí)窗大于9 ns；③二襯厚度檢測：天線頻率為400~900 MHz，待測厚度為30~60 cm，時(shí)窗為9~18 ns；④隔二襯檢測初支：天線頻率為300~500 MHz，待測厚度為35~90 cm，時(shí)窗為10.5~27 ns；⑤鋼架、鋼筋與預(yù)埋件分布與數(shù)量檢測：天線頻率為800~1 000 MHz，待測厚度為10~60 cm，時(shí)窗為3~18 ns，采用中、高頻率的天線能清晰反映出鋼架及鋼筋具體位置和分布情況，在數(shù)據(jù)采集過程中，時(shí)道間距應(yīng)控制在2 cm以內(nèi)。

4.7 探測深度確定

不同天線及其組合形式對(duì)應(yīng)的探測深度可采用以下公式計(jì)算得出：

式（5）中，dmax表示天線最大探測深度，單位：m；σ表示介質(zhì)電導(dǎo)率，單位：s/m；β表示介質(zhì)吸收系數(shù)。

4.8 掃描點(diǎn)數(shù)確定

掃描點(diǎn)數(shù)可采用以下公式計(jì)算得出：

縱向布線需進(jìn)行連續(xù)測量，實(shí)際掃描速度應(yīng)達(dá)到64道（線）以上，對(duì)于特殊地段可進(jìn)行點(diǎn)測，相鄰測量點(diǎn)之間的距離應(yīng)控制在20 cm以內(nèi)。

5 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果，導(dǎo)致二襯產(chǎn)生空洞的原因?yàn)槭┕し轿茨苷_理解設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)要求采用新奧法進(jìn)行施工，但現(xiàn)場卻未能按照這一方法進(jìn)行，比如光面爆破效果較差，存在嚴(yán)重的超挖情況；未能按照要求實(shí)施觀測，在未能明確圍巖收斂情況的條件下直接進(jìn)行二襯施工。除此之外，由于混凝土封頂較為困難，二襯施工時(shí)，因泵送壓力較低，加之混凝土自身流動(dòng)性較差，受重力持續(xù)作用，導(dǎo)致拱頂處的混凝土未能達(dá)到飽滿，產(chǎn)生空洞。

6 結(jié)語

綜上所述，借助地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)二襯病害為拱頂背后存在滲漏與空洞；通過進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，由于存在空洞，使二襯結(jié)構(gòu)受力不均，同時(shí)拱頂彎矩產(chǎn)生很大變化，使拱頂與拱腰均成為受力薄弱位置；當(dāng)拱頂背后存在較多空洞時(shí)應(yīng)盡快進(jìn)行處理，確保二襯結(jié)構(gòu)處在可控狀態(tài)，保證隧道正常和安全運(yùn)營。