探討隧道工程質(zhì)量檢測中無損檢測技術(shù)的運(yùn)用

收稿日期：2024-01-22

作者簡介：徐超（1989—），男，碩士研究生，工程師，從事公路工程質(zhì)量安全監(jiān)督管理工作。

摘要 近年來，隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展，我國的公路隧道工程建設(shè)愈加完善，有效推動了區(qū)域經(jīng)濟(jì)文化的交流與發(fā)展。為有效提高隧道施工質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)使用安全，加強(qiáng)隧道質(zhì)量檢測具有重要意義?；诖耍恼率紫葘λ淼拦こ藤|(zhì)量檢測中無損檢測技術(shù)進(jìn)行研究。然后結(jié)合某公路隧道工程運(yùn)營現(xiàn)狀，針對地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)工作原理及工作中存在問題進(jìn)行分析。最后提出了科學(xué)有效的解決措施；通過該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，及時發(fā)現(xiàn)并解決了隧道工程存在的質(zhì)量問題，保證隧道安全、穩(wěn)定運(yùn)營。

關(guān)鍵詞 公路隧道項(xiàng)目；隧道質(zhì)量檢測；無損檢測

中圖分類號 U455.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0159-03

0 引言

無損檢測是在不損壞結(jié)構(gòu)完整性的條件下，對結(jié)構(gòu)實(shí)施的質(zhì)量檢測，是隧道工程施工及竣工驗(yàn)收的必備環(huán)節(jié)，對提升隧道建設(shè)質(zhì)量，保證隧道運(yùn)營安全具有重要作用[1]。該文結(jié)合實(shí)際工程案例，對隧道工程無損檢測技術(shù)的應(yīng)用展開綜合探究，分析了存在問題，總結(jié)了針對性解決措施，以期能有效提升隧道工程建設(shè)質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)使用安全。

1 工程概況

某公路工程項(xiàng)目共有3座隧道（即1#～3#隧道），設(shè)計(jì)總長度3 900 m，隧道內(nèi)車行道寬7 m，采用雙向二車道布置，隧道寬度為10.7 m，凈空高度7 m，限高5 m。隧道自交付使用至今，洞內(nèi)產(chǎn)生大量裂縫，并出現(xiàn)不同程度的滲漏，維修加固效果不理想，滲漏問題越發(fā)嚴(yán)重。為全面了解隧道結(jié)構(gòu)特征，確定質(zhì)量病害形成原因，該工程引入地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)，現(xiàn)對地質(zhì)雷達(dá)無損檢測設(shè)備，基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測常見問題及解決措施、操作步驟及該檢測結(jié)論進(jìn)行分析，旨在為同行提供借鑒。

2 地質(zhì)雷達(dá)無損檢測設(shè)備及要求

地質(zhì)雷達(dá)組成：①主機(jī)系統(tǒng)。②天線系統(tǒng)。其中，主機(jī)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)儲存、控制單元及顯示系統(tǒng)，天線主要包括發(fā)射天線和接收天線。其主要是根據(jù)電磁波在檢測對象內(nèi)部傳播情況判定結(jié)構(gòu)均勻性及完整性，是現(xiàn)階段較為常用的無損檢測技術(shù)。實(shí)際檢測時，利用信號發(fā)射裝置釋放電磁波，并借助發(fā)射天線將信號引入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，同時利用接收天線對信號實(shí)施科學(xué)處理，檢測過程中兼顧電磁波傳輸途中因自身性能變化或被測物體尺寸變化導(dǎo)致的相位變化、回波變動等問題，從而利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)收集和處理反射波，并結(jié)合反射頻率、傳輸時間及回波情況綜合確定地下構(gòu)造，獲取科學(xué)有效的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作的開展提供依據(jù)[2-3]。

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)性能要求：①系統(tǒng)增益應(yīng)高于150 dB。②信噪比應(yīng)高于60 dB。③采樣間距應(yīng)小于0.5 ns，且A/D系統(tǒng)轉(zhuǎn)換應(yīng)高于16位。④計(jì)時偏差不得超過1 ns。⑤具備點(diǎn)測及連續(xù)檢測等雙重性能，且連續(xù)檢測時速度不低于64次/s。⑥具備可選擇性信號累積、實(shí)時濾波、時窗、增益、點(diǎn)測和連續(xù)檢測記錄功能。⑦具備現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、檢測及顯示功能[4]。

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)要求：①檢測目標(biāo)厚度不得低于天線波長的25%。②檢測目標(biāo)寬度及兩相鄰檢測目標(biāo)間距不得小于第一菲涅爾帶半徑。③檢測線路應(yīng)平整、暢通，確保天線平穩(wěn)運(yùn)動。④不得靠近電磁信號屏蔽層。⑤天線裝置必須具備良好的屏蔽效果，并且其檢測范圍應(yīng)達(dá)到2.0 m以上[5]。

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

現(xiàn)階段，地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程檢測中得到了廣泛應(yīng)用，但由于自身性能、外部環(huán)境等各方面因素影響，導(dǎo)致實(shí)際檢測工作中存在諸多問題，嚴(yán)重影響檢測精度和效率。主要問題如下：

3.1 原理方面

由于地質(zhì)雷達(dá)檢測以電磁波為核心，因此最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于合理確定介電常數(shù)，以保證檢測工作的順利開展，提高后期數(shù)據(jù)處理效率。隧道工程介質(zhì)主要有空氣、水、混凝土、黏土、凝灰?guī)r等，其基本性能指標(biāo)如下：

（1）空氣：導(dǎo)電率0 sm，電容率1.0 F/m，傳播速度0.4 m/ns，衰耗常數(shù)0 dB·m?1。

（2）水：導(dǎo)電率為1.0×10?3～3.1×10?2 sm，電容率81.2 F/m，傳播速度0.034 m/ns，衰耗常數(shù)0.2 dB·m?1。

（3）混凝土：導(dǎo)電率為1.0×10?7 sm，電容率

6.5 F/m，傳播速度0.13 m/ns，衰耗常數(shù)0.04～1.0 dB·m?1。

（4）粘性土：導(dǎo)電率為0.1～1.0 sm，電容率8.0～

10.0 F/m，傳播速度0.05 m/ns，衰耗常數(shù)1.0～100.0 dB·m?1。

（5）花崗巖：導(dǎo)電率為4.0×10?6 sm，電容率

6.0 F/m，傳播速度0.13 m/ns，衰耗常數(shù)0.4.0～1.0 dB·m?1。

電磁波對鋼鐵材料極為敏感，會在一定程度上影響其傳播速率，而隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)存在較多鋼鐵材料，比如鋼筋、型鋼拱架等，勢必會影響檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。

電磁波傳輸時極易受鐵質(zhì)介質(zhì)影響，而隧道內(nèi)部分布大量鐵質(zhì)介質(zhì)，如電纜、鋼筋、管材等，勢必會在一定程度上影響檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.2 操作方面

初期支護(hù)檢測過程中，存在如下問題：

（1）由于初期支護(hù)平整度較差，造成里程信息誤差較大，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果評價偏差較大。

（2）天線系統(tǒng)操控人員專業(yè)技術(shù)水平低下，未嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程操作，造成檢測結(jié)果存在較大誤差。

（3）實(shí)際檢測時，由于技術(shù)參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致信息采集偏差較大，影響結(jié)果判定。

（4）檢測人員專業(yè)水平存在較大差異，對相同檢測信息作出不同評價。

結(jié)合實(shí)際檢測工作中存在的問題，根據(jù)以往檢測經(jīng)驗(yàn)，提出了針對性解決方案，具體如下：

（1）隧道工程不同施工部位、施工環(huán)節(jié)，初期支護(hù)存在多種介電常數(shù)，鑒于此，在采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測時，對于同一隧道，需采用多種介電常數(shù)實(shí)施檢測。針對各施工部位，應(yīng)分別實(shí)施標(biāo)定，以有效降低檢測偏差[6]。

（2）采用地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測時，應(yīng)實(shí)時監(jiān)測周圍環(huán)境變化，并詳細(xì)記錄環(huán)境變化情況，以確保后續(xù)信息處理的準(zhǔn)確性、高效性。具體檢測時，應(yīng)準(zhǔn)確全面統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場所有可能對檢測結(jié)果造成影響的因素，如照明設(shè)施、車輛、機(jī)械及人員等，詳細(xì)標(biāo)明各影響因素的具體位置及距測線的距離。

（3）實(shí)際檢測時，若檢測體表面平整度較差，禁止采用系統(tǒng)測距，應(yīng)利用時間觸發(fā)來采集信息，以5 m間距為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行手動標(biāo)記，檢測過程中應(yīng)始終確保天線勻速移動。

（4）強(qiáng)化檢測人員專業(yè)技能培訓(xùn)，并安排專人負(fù)責(zé)天線操控，嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行檢測，若現(xiàn)場操控人員無法勝任該工作，應(yīng)及時換人，防止因人為因素造成檢測結(jié)果不合格[7]。

（5）通過模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行循環(huán)操作，以驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，并按照模擬數(shù)值對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。同時，工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)天線系統(tǒng)組合形式，并結(jié)合測量對象實(shí)際情況科學(xué)設(shè)定檢測指標(biāo)。

（6）借助缺陷預(yù)測模型將所有問題標(biāo)注于圖集內(nèi)，編制標(biāo)準(zhǔn)化圖集，為后續(xù)隧道工程質(zhì)量檢測提供理論依據(jù)。

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

地質(zhì)雷達(dá)檢測是一項(xiàng)綜合性工作，為確保檢測結(jié)果準(zhǔn)確性，需預(yù)先做好前期準(zhǔn)備工作，具體包括：

（1）充分掌握檢測對象屬性。

（2）合理布置測線，詳細(xì)記錄現(xiàn)場環(huán)境狀況，并選擇合適的天線。

（3）根據(jù)檢測要求合理設(shè)定采集系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

（4）科學(xué)標(biāo)定介電常數(shù)[8]。

（5）待上述工作完成后，正式實(shí)施檢測。

4.2 測線布置

隧道質(zhì)量檢測時，應(yīng)嚴(yán)格按照縱向?yàn)橹?，橫向?yàn)檩o的原則進(jìn)行測線布設(shè)。

（1）采用縱向布線的主要部位包括拱頂、拱腰及邊墻等，橫向布線的部位、間距應(yīng)結(jié)合實(shí)際檢測項(xiàng)目及相關(guān)規(guī)定綜合確定，通常狀況下，布設(shè)間距以8～12 m為宜，使用點(diǎn)測法檢測時，各斷面測點(diǎn)設(shè)置個數(shù)不得少于6個。此外，實(shí)際檢測時若出現(xiàn)異常情況，應(yīng)對測線、測點(diǎn)實(shí)施適當(dāng)加密。

（2）竣工檢測時，主要采用縱向布線，特殊情況下可增設(shè)水平測線。其中縱向側(cè)線布設(shè)位置包括拱頂、拱腰、邊墻，布線間距以8～12 m為宜，使用點(diǎn)測法檢測時，每個斷面測點(diǎn)數(shù)量不得少于5個。當(dāng)對空洞位置進(jìn)行檢測時，應(yīng)對測線、測點(diǎn)實(shí)施合理加密。

（3）三車道隧道質(zhì)量檢測時，需根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求在拱頂位置增設(shè)兩條測線，每間隔5～10 m作出里程標(biāo)記。

4.3 介質(zhì)參數(shù)標(biāo)定

采用地質(zhì)雷達(dá)對隧道實(shí)施質(zhì)量檢測前，需現(xiàn)場測定襯砌結(jié)構(gòu)電容率，測點(diǎn)數(shù)量不得少于3點(diǎn)，并以均值為實(shí)際電容率。當(dāng)隧道長大于3.0 m時，應(yīng)結(jié)合具體狀況，適當(dāng)增加測點(diǎn)數(shù)量。具體標(biāo)定方式如下：①在厚度確定或材質(zhì)與隧道一致的構(gòu)件上進(jìn)行標(biāo)定。②在隧道口或內(nèi)部車輛干擾較小的位置通過直達(dá)波法測定。③特殊狀況下，可采用鉆孔方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4.4 參數(shù)求取條件

（1）標(biāo)定目標(biāo)厚度不得小于15 cm，且厚度確定。

（2）標(biāo)定項(xiàng)目相關(guān)界面反射信號應(yīng)準(zhǔn)確。

4.5 標(biāo)定結(jié)果計(jì)算

（1）導(dǎo)電系數(shù)表達(dá)式如式（1）：

ξr=（0.3t/2d）2 （1）

電磁波傳播速率計(jì)算式，如式（2）：

v=（2d/t）×109 （2）

式中，ξr——導(dǎo)電系數(shù)；t——電磁波傳播時間（s）；d——檢測對象厚度（mm）；v——電磁波傳播速率

（m/ns）。

（2）不同條件下電磁波傳播速度如表1所示。

4.6 測量時窗確定

檢測時窗長與采樣率依次由下式（3）、（4）求得：

（3）

S=2×Δt×f×k×10?3 （4）

式中，Δt——時窗長度（ns）；S——采樣率（%）；a——優(yōu)化指數(shù)，其值為1.5～2.0；f——天線頻率（MHz）；k——系數(shù)，其值為6～10。

所有測量對象天線頻率、測量厚度及時窗存在顯著差異。具體情況如下：①初支厚度檢測：天線頻率、測量厚度、時窗取值區(qū)間分別為800.0～1 000.0 MHz、5.0～30.0 cm和1.5～9.0 ns。②初支背后填土層測量：天線頻率取值區(qū)間為400.0～900.0 MHz，測量厚度應(yīng)控制在30.0 cm以上，時窗控制在9.0 ns以上。③二襯厚測量：天線頻率、測量厚度、時窗取值區(qū)間分別為400.0～

900.0 MHz、30.0～60.0 cm和9.0～18.0 ns。④初支及二襯整體檢測：天線頻率、測量厚度、時窗取值區(qū)間分別為300.0～500.0 MHz、35.0～90.0 cm和10.5～27.0 ns。⑤鋼筋、管線分布狀況測量：天線頻率、測量厚度、時窗取值區(qū)間分別為800.0～1 000.0 MHz、10.0～60.0 cm和3.0～

18.0 ns，通過高頻及中頻天線裝置能夠精準(zhǔn)識別出鋼筋及管線分布位置，在進(jìn)行具體測量時應(yīng)嚴(yán)格控制時窗間距，確保位于2.0 cm以內(nèi)。

4.7 探測深度確定

各種天線及組合方式適用的檢測深度可利用式（5）得出：

dmax<30/σ或dmax<30/β （5）

式中，dmax——最大探測深度（m）；σ——介質(zhì)電導(dǎo)率（s/m）；β——介質(zhì)吸收系數(shù)。

4.8 掃描點(diǎn)數(shù)確定

掃描點(diǎn)數(shù)可通過式（6）得出：

S=2×Δt×f×k×10?3 （6）

式中，S——掃描樣點(diǎn)數(shù)；Δt——時窗長度；f——天線中心頻率；k——系數(shù)，通常取6～10。

采用縱向布線時，應(yīng)實(shí)施連續(xù)測量，實(shí)際掃描速率不得低于64道，針對較為特殊部位應(yīng)采用點(diǎn)測法進(jìn)行檢測，相鄰兩測點(diǎn)間距不得超過20 cm。

5 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測結(jié)果

地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果表明，該隧道二次襯砌形成空洞的主要原因是施工方對設(shè)計(jì)圖紙了解不夠深入，未真正明白設(shè)計(jì)意圖。設(shè)計(jì)規(guī)定隧道施工應(yīng)采用新奧法，而實(shí)際施工時未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，造成施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。如光面爆破質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，造成隧道超挖；未根據(jù)施工規(guī)范要求對隧道實(shí)施監(jiān)測，在不了解洞體圍巖實(shí)際收斂狀況的情況下直接開始二次襯砌施工。此外，因混凝土封頂難度較大，二次襯砌施作時，由于泵送壓力不足、混凝土和易性較差，在重力作用影響下，造成拱頂位置混凝土密實(shí)度不合格，形成空洞問題。

6 結(jié)論

綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)無損檢測作為隧道工程施工與驗(yàn)收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對提高隧道施工質(zhì)量，保證隧道運(yùn)營安全具有重要作用。該文結(jié)合某公路隧道工程運(yùn)營現(xiàn)狀，對無損檢測技術(shù)的應(yīng)用展開綜合探究，分析了地質(zhì)雷達(dá)無損檢測工作中存在問題，并提出了科學(xué)有效的解決措施。采用地質(zhì)雷達(dá)對隧道二次襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)二次襯砌拱頂后方存在大面積空洞，造成二次襯砌支護(hù)體系受力不均，使拱頂、拱腰部位形成受力薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重威脅隧道結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)及時采取加固措施，確保二次襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，保證隧道安全、穩(wěn)定運(yùn)營。

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