無損檢測(cè)技術(shù)在高速公路隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用分析

曹金滸

（貴州黔程弘景工程咨詢有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550018）

0 引言

高速公路工程建設(shè)過程中難免會(huì)遇到山區(qū)，而山區(qū)一般環(huán)境惡劣、地質(zhì)地形條件復(fù)雜，為了順利通車，需要開挖隧道。在高速公路隧道施工中，需要進(jìn)行隧道監(jiān)控量測(cè)，以保證施工質(zhì)量和后期運(yùn)營質(zhì)量。隧道監(jiān)控量測(cè)過程中需要科學(xué)地采用量測(cè)技術(shù)，如地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、無損檢測(cè)技術(shù)等，以更準(zhǔn)確地檢測(cè)隧道內(nèi)部情況，提高質(zhì)量控制水平，從而保證整體施工質(zhì)量。為此，相關(guān)單位需要加強(qiáng)系統(tǒng)研究和分析，不斷優(yōu)化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，完善監(jiān)控量測(cè)體系，以滿足隧道施工需要。

1 隧道監(jiān)控量測(cè)概述

隧道監(jiān)控量測(cè)是指在隧道施工過程中，對(duì)圍巖、地表、支護(hù)構(gòu)造的變形、穩(wěn)定狀態(tài)以及周邊環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行常規(guī)性的觀察與測(cè)量。此項(xiàng)工作的主要目的在于了解并掌握圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)以及支護(hù)構(gòu)造體系的可靠性，以確保隧道施工的安全性，以及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。通過針對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估與分析，可以對(duì)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)的修改與調(diào)整。隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目主要包括檢查圍巖在初噴混凝土后是否存在裂紋和剝落現(xiàn)象，以及地表是否存在鼓起現(xiàn)象等[1]。

2 隧道監(jiān)控量測(cè)的必要性和作用

2.1 必要性

我國部分高速公路工程隧道里程較長(zhǎng)，進(jìn)出口隧道里程也相對(duì)較長(zhǎng)，因此需要通過科學(xué)的方法對(duì)隧道的具體情況進(jìn)行監(jiān)控和量測(cè)，以實(shí)時(shí)掌握隧道圍巖的變化情況，并據(jù)此調(diào)整、優(yōu)化支護(hù)方案。一般需要對(duì)圍護(hù)周圍土體和巖石層的位移情況、拱頂下沉情況進(jìn)行量測(cè)，在量測(cè)過程中需要采用全站儀等設(shè)備，以提高量測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度、可靠性。

同時(shí)，需要對(duì)隧道斷面周邊收斂情況進(jìn)行量測(cè)，準(zhǔn)確判斷斷面的收斂情況，如果在量測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)拱頂有下沉情況，借助坐標(biāo)系統(tǒng)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量拱頂點(diǎn)的相對(duì)下沉量。

2.2 作用

隧道監(jiān)控量測(cè)是掌握隧道圍巖動(dòng)力穩(wěn)定性的重要手段之一，也是隧道工程設(shè)計(jì)和施工需要的重要依據(jù)。主要作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

通過隧道監(jiān)控量測(cè)，可以及時(shí)獲取高速公路隧道施工時(shí)圍巖的動(dòng)態(tài)和具體情況。進(jìn)行量測(cè)后，需要對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊脱芯?，并借助無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行更深層次的量測(cè)，以把握現(xiàn)場(chǎng)的具體情況。在此基礎(chǔ)上，可以制訂有效的預(yù)防和控制措施，以確保施工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

隧道施工過程會(huì)受到多方面因素的影響，利用隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，可以準(zhǔn)確地了解隧道施工各階段地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況，從而全面掌握隧道施工的狀態(tài)和實(shí)際情況?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果可以對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和修正，技術(shù)人員可以根據(jù)這些結(jié)果調(diào)整隧道施工方法，如調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)等，從而保證隧道施工進(jìn)度、提高工程質(zhì)量。

3 無損檢測(cè)技術(shù)在高速公路隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路工程也在持續(xù)發(fā)展，相關(guān)施工技術(shù)也在不斷提高。但在高速公路施工建設(shè)中，隧道施工的安全隱患較多，施工質(zhì)量控制難度相對(duì)較大。通過優(yōu)化施工技術(shù)方案、工藝流程、工程設(shè)計(jì)、引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)能夠更有效地消除安全隱患，提高工程質(zhì)量。同時(shí)，需要采用無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，以進(jìn)一步確保高速公路隧道施工活動(dòng)順利進(jìn)行。

具體應(yīng)用時(shí)，要求根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況合理采用相應(yīng)的無損檢測(cè)技術(shù)，獲得完整、真實(shí)、準(zhǔn)確的施工測(cè)量數(shù)據(jù)信息，并對(duì)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，以進(jìn)一步規(guī)范施工操作過程，確保施工過程中的質(zhì)量和安全隱患得以有效解決[2]。

在高速公路隧道施工中，為保證整體施工質(zhì)量，需要借助無損檢測(cè)技術(shù)，合理、高效地開展監(jiān)控量測(cè)工作，并根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的決策。隧道監(jiān)控量測(cè)流程如圖1 所示。

圖1 隧道監(jiān)控量測(cè)流程

3.1 地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)主要基于高頻電磁波的反射原理進(jìn)行量測(cè)，在不對(duì)工程主體結(jié)構(gòu)造成破壞的情況下，完成內(nèi)部狀況的掃描工作。電磁波穿過地下物質(zhì)，遇到介質(zhì)界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，且反射波會(huì)被天線接收，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行處理。該技術(shù)具有非侵入性、高精度、數(shù)據(jù)顯現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。在高速公路隧道施工中，可以采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)一些隧道圍巖較厚、基層密度大的部位進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。

具體進(jìn)行量測(cè)時(shí)，需要為現(xiàn)場(chǎng)工作人員配備地質(zhì)雷達(dá)便攜式主機(jī)，并準(zhǔn)備好信號(hào)收發(fā)天線和綜合性控制電纜，還要配置測(cè)量輪和電能儲(chǔ)備裝置，采集數(shù)據(jù)信息后，借助數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)信息分析和處理工作。

地質(zhì)雷達(dá)便攜式主機(jī)會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波脈沖，由天線發(fā)射到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，隨后接收機(jī)會(huì)有效接收介質(zhì)反射的電磁波。相關(guān)工作人員需要考慮電磁波在傳輸過程中由于介質(zhì)自身電磁性發(fā)生變化或者介質(zhì)自身幾何形態(tài)發(fā)生變化所引起的相位變化以及回波能量波形改變等因素，同時(shí)需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件以及濾波程序，對(duì)反射波進(jìn)行有效的采集和處理，再結(jié)合反射波的波形等數(shù)據(jù)信息，對(duì)隧道工程地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為后續(xù)的施工決策提供支持和參考。

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的主要應(yīng)用流程如下：

第一，檢測(cè)人員需要科學(xué)利用計(jì)算機(jī)設(shè)備，明確對(duì)控制單元的相關(guān)要求。

第二，控制單元接收到指令后會(huì)發(fā)送和接收天線信號(hào)。

第三，控制單元接收指令后將指令通過高頻電磁波的形式發(fā)送到地面。

第四，如果探測(cè)部位的介質(zhì)分布不均勻，則電磁波反射的電性目標(biāo)和界面不同，在這種情況下一部分電磁波被反射到地面，地面天線接收到反射信號(hào)后會(huì)將其轉(zhuǎn)化成為數(shù)據(jù)信息傳送到控制單元，之后通過計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行相關(guān)操作、處理和分析。

第五，檢測(cè)人員對(duì)最終的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分解，繪制為圖像，以此把握具體情況。

總之，具體應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)時(shí)需要把握技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍、要求，嚴(yán)格遵循操作規(guī)程進(jìn)行量測(cè)，有效發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高量測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性、可靠性，以準(zhǔn)確把握隧道內(nèi)部的具體情況[3]。

3.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)

在高速公路隧道施工過程中，可以采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)隧道施工過程中的關(guān)鍵構(gòu)件、部位及隱蔽工程等進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。超聲波檢測(cè)技術(shù)主要是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性及聲時(shí)、聲速、波幅和主頻等聲學(xué)參數(shù)對(duì)介質(zhì)特征和內(nèi)部的構(gòu)造與缺陷進(jìn)行量測(cè)。應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)需要使用高精度的檢測(cè)儀器，可以準(zhǔn)確判斷出各個(gè)施工環(huán)節(jié)中存在的質(zhì)量問題，具有較高的準(zhǔn)確性和適用性，能夠顯著提高監(jiān)控量測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。在高速公路隧道監(jiān)控量測(cè)中，采用超聲波檢測(cè)技術(shù)便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取預(yù)防和控制措施，進(jìn)而有效保證整個(gè)隧道工程的施工質(zhì)量。

3.3 光纖傳感器檢測(cè)技術(shù)

光纖傳感器檢測(cè)（見圖2）技術(shù)是一種利用光纖傳輸原理對(duì)隧道斷面情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)量測(cè)和分析的技術(shù)。該技術(shù)可檢測(cè)隧道中是否存在質(zhì)量病害和圍護(hù)斷裂等現(xiàn)象，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)光纖傳輸損耗較大的問題，因此需定期檢查并判斷光纖傳感器的運(yùn)行狀況。

圖2 光纖傳感器檢測(cè)

光纖傳感器是一種靈敏度較高的傳感器，其傳感原理與電磁傳感器原理相似，但光纖傳感器主要以激光作為測(cè)量信號(hào)載體，通過光導(dǎo)纖維進(jìn)行信號(hào)傳輸[4]。這種傳輸方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如不受外部磁場(chǎng)干擾，適用于環(huán)境復(fù)雜的檢測(cè)工作，具有檢測(cè)效果好、操作簡(jiǎn)單和自動(dòng)化水平高等。

3.4 頻譜分析技術(shù)

在當(dāng)前的隧道監(jiān)控量測(cè)工作中，主要采用移動(dòng)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等，通過這些傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高速公路隧道圍巖的動(dòng)力荷載。通過檢測(cè)時(shí)獲取的區(qū)域信息，可以準(zhǔn)確判斷隧道內(nèi)部構(gòu)造在荷載和外力影響下的振動(dòng)頻率，全面了解隧道的實(shí)際情況。不同的傳感器有不同的頻率，因此需要采用頻譜分析法進(jìn)行分析，以便準(zhǔn)確把握隧道的整體情況。頻譜分析技術(shù)主要是通過解析頻譜的方法來處理數(shù)據(jù)信息，可根據(jù)波長(zhǎng)、頻率和時(shí)間等數(shù)據(jù)的變動(dòng)情況，對(duì)隧道內(nèi)不同區(qū)域的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析。

3.5 圖像檢測(cè)技術(shù)

在高速公路隧道監(jiān)控量測(cè)過程中也可以采用圖像檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是一種非常有效的技術(shù)方法。圖像檢測(cè)技術(shù)主要分為紅外線成像技術(shù)和激光全息圖像技術(shù)。

紅外線成像技術(shù)主要是利用紅外探測(cè)器對(duì)量測(cè)對(duì)象發(fā)出紅外輻射進(jìn)行探測(cè)，通過深入分析和研究隧道內(nèi)的紅外線成像情況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道施工中存在的質(zhì)量問題，以便于根據(jù)具體的問題制訂針對(duì)性的控制對(duì)策，有效解決問題，避免影響施工質(zhì)量。在此過程中可以結(jié)合信息技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成為圖像畫面，以實(shí)時(shí)獲取隧道內(nèi)部的具體情況，便于施工人員準(zhǔn)確把握具體的施工情況，進(jìn)行針對(duì)性的處理。

激光全息圖像技術(shù)主要是利用激光全息照相來檢測(cè)物體表面和內(nèi)部的缺陷，采用激光全息圖像技術(shù)進(jìn)行隧道質(zhì)量監(jiān)控量測(cè)的過程中需要結(jié)合力學(xué)原理進(jìn)行針對(duì)性的計(jì)算和分析[5]。

4 結(jié)語

在我國當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展態(tài)勢(shì)下，高速公路工程項(xiàng)目的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大。在高速公路工程建設(shè)過程中，隧道是常見的工程項(xiàng)目之一，為了在隧道施工中準(zhǔn)確掌握圍巖的實(shí)際情況，有必要在施工過程中科學(xué)地運(yùn)用無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行隧道監(jiān)控量測(cè)。利用相關(guān)無損檢測(cè)技術(shù)時(shí)，必須科學(xué)布置量測(cè)點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的規(guī)范要求進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)作業(yè)，并結(jié)合信息技術(shù)等對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理與分析，進(jìn)而有效調(diào)整施工參數(shù)、做好安全防護(hù)等，保證高速公路隧道工程的施工質(zhì)量與施工過程的安全性。