多種方法隧道二襯厚度檢測試驗研究

楊 成，吳 勇，姜文濤，張向陽

（1.云南建投建材科技有限責任公司，云南 昆明 650217；2.云南省建筑科學研究院，云南 昆明 650223；3.云南省巖土工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650223）

0 引言

“十三五”“十四五”期間國家加大了云南基礎(chǔ)建設的投入，尤其是高速公路網(wǎng)的建設如火如荼。云南高原山區(qū)，其地形復雜，高速公路的修建伴隨著大量的隧道工程，隧道工程的質(zhì)量控制也尤為重要，應對后期的運營期病害提供前期保障［1］。

相關(guān)學者開展了隧道質(zhì)量檢測研究工作，取得了較好的研究成果。李興［2］在隧道襯砌濱海檢測中采用了探地雷達識別技術(shù)，舒志樂［3］對隧道襯砌雷達檢測空洞進行了正反演研究，趙常要等［4］研究了使用雷達檢測隧道質(zhì)量過程中存在的樁號偏差問題，丁亮等［5］研究了雷達檢測隧道襯砌混凝土過程中的成圖質(zhì)量問題，尤相駿等［6］采用了一種高密度三維激光掃描儀的高精度快速全斷面檢測新方法對隧道襯砌進行檢測。

本文針對某隧道二襯多個斷面采用了探地雷達法、激光掃描法和鉆芯法 3 種測試手段進行了襯砌厚度對比試驗，并對數(shù)據(jù)誤差進行了分析研究，為后續(xù)隧道檢測工作提供理論依據(jù)和參考。

1 工作原理

1.1 探地雷達法

探地雷達法（Ground Penetrating Radar）是通過發(fā)射并接收電磁波，來確定探測目標內(nèi)部特征的一種探測技術(shù)。如圖 1 所示，在進行探測時，屏蔽天線向目標發(fā)射脈沖電磁波，當電磁波入射波在不同介質(zhì)中傳播時會發(fā)生反射、折射、透射，介質(zhì)的電性差異越大，其反射越明顯。同時，屏蔽天線可以接收電磁波反射信號，電磁波的雙程走時被地質(zhì)雷達主機記錄，通過求取電磁波在介質(zhì)中的傳播速度就確定了雷達的探測深度。探地雷達法具有測試速度快，測試結(jié)果受二襯內(nèi)部鋼筋及分析人員影響較大。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

1.2 激光掃描法

激光掃描法采用的是極坐標法。如圖 2 所示，將激光斷面掃描儀立于隧道中軸線，以等角或等距模式旋轉(zhuǎn)儀器發(fā)射激光，獲取測點坐標位置，將測點相連即可得到隧道支護系統(tǒng)的輪廓線。測試二襯厚度時，先后采集同一位置初支和二襯表面輪廓線，通過計算機軟件計算前后輪廓線距離，即為二襯測試厚度值。激光掃描法測試速度較慢，測試結(jié)果受儀器架設位置影響較大。

圖2 激光掃描儀工作原理示意圖

1.3 鉆芯法

鉆芯法是利用專用鉆機直接從隧道二襯上鉆取圓柱體混凝土芯樣，并根據(jù)芯樣長度和鉆孔的深度來評定二襯厚度的一種直觀、可靠破損測試方法，可作為無損檢測結(jié)果驗證。該方法具有一定的破壞性，測試結(jié)果最為準確，需控制好鉆進方向，防止偏位，其檢測速度較慢，不適于用作隧道二襯厚度的普查。

2 工程概況

排壩隧道位于云南省迪慶州香格里拉縣虎跳峽境內(nèi)，為左右分離式隧道，內(nèi)輪廓凈空寬度為 11.0 m、凈空高度為 7.1 m，主洞采用半徑為 5.5 m 的單心圓襯砌斷面，左右幅隧道測中線距離 34～40 m。右幅隧道起止點樁號為 YK 59+111.79～YK 60+814.96，全長 1 703.17 m，隧道最大埋深約為 305 m；左幅隧道起止點樁號為 ZK 59+162.04～ZK 60+865，全長 1 702.96 m，隧道最大埋深約為 347 m。本次測試的二次襯砌拱、墻、仰拱厚度設計值均為 50 cm。

3 設備的選取及測線布置

探地雷達法現(xiàn)場測試采用 SIR-4 000 型探地雷達+400 M 屏蔽天線，如圖 3 所示，測線布置沿隧道線路方向，分別在拱頂、兩側(cè)拱腰及兩側(cè)邊墻上布設 5 條測線（平行于隧道中軸線）。

圖3 雷達測線布設示意圖

激光掃描法現(xiàn)場測試采用 DJSD 3 激光隧道斷面檢測儀，儀器測距精度 ±1 mm，測角精度 ± 6′。選取里程樁號在隧道中軸線上進行標記，隧道防水板安裝前進行初期支護表面輪廓線掃描，二襯襯砌完成后進行二襯輪廓線掃描。

鉆芯法采用 HZ-168 手提支架兩用式混凝土取芯機，選取探地雷達測試布置位置進行。

4 檢測結(jié)果分析

由于本次隧道二次襯砌鉆芯僅開展了 YK 60+253、YK 60+263、YK 60+273 斷面檢測，本文探地雷達法及激光掃描法檢測數(shù)據(jù)結(jié)果對應列出。

4.1 探地雷達二次襯砌檢測結(jié)果

YK 60+253～YK 60+273 探地雷達部分圖像如圖 4、圖 5 和圖 6 所示，襯砌厚度檢測結(jié)果如表 1 所示。

表1 YK 60+253～YK 60+273 探地雷達二次襯砌厚度統(tǒng)計

圖4 YK 60+250～YK 60+260 二次襯砌厚度右邊墻雷達圖像（測線 5）

圖5 YK 60+250～YK 60+260 二次襯砌厚度左拱腰雷達圖像（測線 2）

圖6 YK 60+250～YK 60+260 二次襯砌厚度左邊墻雷達圖像（測線 4）

4.2 激光掃描二次襯砌檢測結(jié)果

YK 60+253～YK 60+273 部分激光掃描圖像如圖 7～圖 9 所示，襯砌厚度檢測結(jié)果如表 2 所示。

表2 YK 60+253～YK 60+273 激光掃描二次襯砌厚度統(tǒng)計

圖7 YK 60+253 激光斷面掃描（單位：m）

圖8 YK 60+263 激光斷面掃描（單位：m）

圖9 YK 60+273 激光斷面掃描 （單位：m）

4.3 鉆芯法二次襯砌檢測結(jié)果

由于 YK 60+253 左拱腰、YK 60 +263 右拱腰位置二襯襯砌混凝土鉆芯過程中出現(xiàn)偏位情況，根據(jù)實測結(jié)果進行了角度修正，YK 60+253～YK 60+273 鉆芯法檢測厚度統(tǒng)計如表 3 所示。

表3 YK 60+253～YK 60+273 鉆芯法二次襯砌厚度統(tǒng)計

4.4 檢測結(jié)果分析

通過采用三種方法對 YK60+253～YK 60+273 三個斷面的二次襯砌厚度進行檢測，發(fā)現(xiàn)檢測結(jié)果均滿足設計厚度值，激光掃描法和鉆芯法測試精度較探地雷達法要高，且兩者的測試結(jié)果平均值非常相近，探地雷達法與兩者的測試結(jié)果平均值誤差在 1 cm 范圍內(nèi)。鉆芯法是最為準確的檢測方法，以鉆芯法測試結(jié)果為標準物，探地雷達法測試誤差為“-2.5～+4.7cm”，激光掃描法測試誤差為“-0.7～+1.1cm”。探地雷達測試結(jié)果測試誤差較大處主要集中在左邊墻，主要原因該位置處安裝了通風管道及其他附屬設置等影響雷達信號的采集；激光掃描法原則上應該與鉆芯法結(jié)果完全吻合，但由于現(xiàn)場隧道中軸線（隧道中軸線為曲線）與設備掃描斷面儀器架設方向難以達到完全垂直，測試結(jié)果存在較小誤差。

5 基于鉆芯法的檢測結(jié)果修正

探地雷達法在隧道二次襯砌檢測中使用頻率最多，且其工作效率快，采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過鉆芯法對探地雷達法檢測結(jié)果平均值進行修正，同一隧道及其他支護參數(shù)相同的隧道可采用。

定義關(guān)聯(lián)函數(shù)見式（1）：

根據(jù)上述公式排壩隧道修正后的探地雷達法檢測二次襯砌厚度平均值公式見式（2）：

6 結(jié)論

1）以鉆芯法測試結(jié)果為標準物，探地雷達法具有測試速度快，測試結(jié)果受二襯內(nèi)部鋼筋及分析人員影響較大，其測試誤差為“-2.5～+4.7cm”。

2）以鉆芯法測試結(jié)果為標準物，激光掃描法測試速度較慢，測試結(jié)果受儀器架設位置影響較大，其測試誤差為“-0.7～+1.1cm”。

3）鉆芯法為破損檢測，測試結(jié)果最為準確，需控制好鉆進方向，防止偏位，其檢測速度較慢。

4）建立了以鉆芯法為標準物的探地雷達法檢測結(jié)果平均值進行修正公式，同一隧道及其他支護參數(shù)相同的隧道可采用。Q