盾構(gòu)管片背后注漿缺陷檢測技術(shù)應用研究

摘要 對盾構(gòu)管片背后注漿缺陷進行準確檢測，對于保障隧道工程質(zhì)量和安全具有重要意義。基于此，文章展開了盾構(gòu)管片背后注漿缺陷檢測技術(shù)的應用研究，首先提出了采用探地雷達和沖擊回波法兩種無損檢測技術(shù)對管片背后注漿缺陷進行檢測，并分別闡述了兩種檢測方法的基本原理及分辨率、檢測深度等；然后針對管片背后直接脫空這一背后注漿缺陷，采用探地雷達和沖擊回波法進行了室內(nèi)試驗檢測研究，并對檢測結(jié)果展開了深入分析。研究結(jié)果表明，900MHz天線檢測不到5 mm的脫空缺陷；沖擊回波法與探地雷達法均無法確定脫空厚度。

關(guān)鍵詞 盾構(gòu)；管片；注漿缺陷；沖擊回波

中圖分類號 U455.43 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0147-03

0 引言

盾構(gòu)法作為一種高效、安全的隧道施工方法，在我國得到了廣泛應用。然而，盾構(gòu)管片背后注漿缺陷問題也隨之凸顯，這些缺陷不僅威脅著隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，還可能對地面設施的健康狀況造成不良影響。因此，如何快速、準確地檢測出盾構(gòu)管片背后的注漿缺陷，成為隧道工程領(lǐng)域亟待解決的重要問題。

1 探地雷達技術(shù)概述

1.1 探地雷達工作原理

探地雷達是一種新型的無損檢測設備，當前已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。探地雷達設備的核心在于精密設計的天線系統(tǒng)，其將高頻短脈沖電磁波精準地投射至待檢測物體中；脈沖雷達波作為探測的媒介，在被測物體內(nèi)部進行傳播時將與不同物理性質(zhì)的物體界面產(chǎn)生交互作用[1]。在盾構(gòu)法隧道管片的檢測應用中，探地雷達展現(xiàn)出高度的實用性和精確性。當雷達波穿透管片進入內(nèi)部構(gòu)造時，會遇到鋼筋、不同材質(zhì)的混凝土、管片拼接縫等一系列電性差異界面，將雷達波反射回接收天線。接收天線則負責捕捉這些反射波，并且精確地記錄下不同平面位置處的反射信號，這些信號構(gòu)成探地雷達的核心數(shù)據(jù)——雷達剖面記錄。

雷達電磁波在介質(zhì)中的傳播路徑、波形及其電磁場強度，是對介質(zhì)電磁性質(zhì)和幾何形態(tài)變化的敏感反映。當電磁波遇到不同電性的介質(zhì)界面時，傳播特性會隨之發(fā)生變化，隨后記錄下反射信號的時間、波形和幅度等信息，基于以上反射信號，探地雷達繪制出高精度的地質(zhì)雷達剖面圖像。在數(shù)據(jù)處理階段，深入分析雷達剖面圖像，識別出注漿不均勻、空洞、裂縫等管片背后注漿中存在的各種質(zhì)量缺陷。

1.2 探地雷達分辨率

分辨率指的是探測設備能夠清晰辨識的最小目標尺寸，若目標尺寸小于此閾值，則可能無法被有效識別。探地雷達的分辨率主要由兩部分核心要素構(gòu)成：水平分辨率和垂直分辨率。

水平分辨率，體現(xiàn)的是探地雷達在水平方向上對微小差異的感知能力，即能夠區(qū)分橫向上相鄰目標的最小間距；而垂直分辨率，則反映了探地雷達在垂直方向上對地層結(jié)構(gòu)變化的敏感度，衡量的是探地雷達能夠分辨的地層厚度或深度變化的最小值。

1.2.1 水平分辨率

從技術(shù)層面而言，當入射波與地下界面交互形成反射波時，該反射并非簡單地來自一個點，而是源于一個以“反射點”為中心的區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，反射波通過干涉作用，形成能量累加或相減的帶狀分布，即菲涅爾（Fresnel）帶，是探地雷達在水平方向上區(qū)分目標體能力的關(guān)鍵所在[2]。菲涅爾帶的大小和形狀，取決于入射波的波長、介質(zhì)的物理性質(zhì)及目標體的深度等因素，當兩個目標體在水平方向上距離較近時，它們的菲涅爾帶會相互重疊，影響探地雷達對二者的區(qū)分能力。

瑞利判據(jù)是光學領(lǐng)域用于界定物體能否被清晰分辨的基準，當兩個物體的像彼此相鄰且一個物體的像中心與另一個物體的像邊緣恰好重合時，這兩個物體便達到了可分辨的極限。在探地雷達技術(shù)應用中，水平分辨率的評估同樣遵循類似的原理，通過精細分析第一菲涅爾帶半徑的特性，可以更準確地把握探地雷達的水平分辨率，具體計算公式如式（1）所示：

式中，F(xiàn)——第一菲涅爾半徑（m）；D——缺陷埋深（m）；λ——電磁波的波長（m）。

由此可以看出，缺陷埋深越深、電磁波波長越長，探地雷達的水平分辨率越差。

1.2.2 垂直分辨率

垂直分辨率，作為探地雷達技術(shù)的一個關(guān)鍵參數(shù)，描述的是雷達系統(tǒng)區(qū)分目標體上下兩個界面反射波的能力[3]。具體而言，其衡量的是雷達波從地下目標體的兩個不同界面反射回來時，系統(tǒng)能否準確地將這兩個反射信號區(qū)分開，即保證反射波在信號分析過程中不發(fā)生重疊，兩個界面反射波能夠被區(qū)分開來的最小距離，即為垂直分辨率，具體計算公式如式（2）所示：

式中，Δh——垂直分辨率（m）；v——電磁波傳播速度（m/s）；Δt——可以分辨的最近時間距離（ms）；Be——帶寬（Hz）。

由式（2）可以看出，Be越大，垂直分辨率越好。

2 沖擊回波法檢測管片背后注漿缺陷的基本原理

2.1 基本公式

當沖擊錘敲擊被檢測物的表面時會激發(fā)出P波，P波在材料內(nèi)部傳播時，一旦遇到如注漿缺陷等界面，便會發(fā)生反射。通常將接收裝置放置在距離敲擊點不遠的位置，捕捉P波在被檢測物與缺陷之間的垂直入射與垂直反射過程。P波的來回行程，即從被檢測物表面出發(fā)，經(jīng)過缺陷反射后再回到接收裝置所經(jīng)歷的路程，可以近似視為垂直入射與垂直反射的總和。由于該行程是往返2次，因此可以將其視為被檢測物表面與缺陷之間距離的兩倍，即2T。P波在被檢測物內(nèi)的傳播速度V可以通過試驗測量得到，其來回行程所經(jīng)歷的時間Δt如式（3）所示：

2.2 分辨率

沖擊回波法最初的研究目的是開發(fā)一種能夠無損檢測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷、脫空的新方法。應用該方法時會在結(jié)構(gòu)物頂面施加激振力，以產(chǎn)生一個初始的P波，產(chǎn)生的P波會在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部傳播，當遇到不同介質(zhì)界面或缺陷時將發(fā)生反射現(xiàn)象，反射回來的波會被接收端所接收。沖擊回波儀的分辨率受多種因素的影響，其中隨著檢測深度的增加，沖擊回波信號的衰減也會增加，而信號分辨率則會逐漸下降，此外，不同類型缺陷對沖擊回波信號的反射特性也會影響儀器的分辨率。根據(jù)以往研究表明，缺陷平面尺寸與缺陷頂層埋深的比值對彈性波的反射頻率有一定的影響，具體見表1所示：

2.3 檢測深度

人工敲擊是產(chǎn)生初始能量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，此能量的大小直接關(guān)聯(lián)敲擊人員的施力大小。然而，即使敲擊力度得以統(tǒng)一，沖擊錘與管片表面接觸的時間仍受多種因素的影響。其中，沖擊錘材料決定了材料在受力時抵抗形變的能力，當硬度較高時，材料不易形變，接觸時間相對較短；反之，硬度較低則接觸時間可能較長。

此外，在沖擊錘材質(zhì)相同的情況下，半徑的大小直接決定了沖擊錘與管片表面的接觸面積。半徑越大，接觸面積越大，就需要更長的時間完成能量的傳遞和轉(zhuǎn)換[4]。在檢測時，需根據(jù)檢測深度選擇相應半徑的沖擊錘。

3 管片背后注漿缺陷檢測試驗方案設計

3.1 試驗儀器

該項目試驗采用的是實體管片，共兩節(jié)，管片具體參數(shù)如表2所示。選用SIR-4000探地雷達，其主要由主機、天線以及電纜線組成；在沖擊回波儀的選擇上，采用混凝土多功能無損檢測儀。

3.2 檢測方案設計

3.2.1 探地雷達檢測方案

在該項目試驗操作中，首先將雷達天線精密地貼合在潛在缺陷位置的管片表面上，以天線的寬度為基準，繪制兩條平行的引導線。然后，將天線沿著這兩條引導線之間的區(qū)域勻速移動，進行連續(xù)掃描。在檢測過程中，雷達天線發(fā)射高頻脈沖電磁波，并接收來自地下介質(zhì)反射回來的信號，信號經(jīng)過處理后能夠準確反映注漿體內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征和潛在缺陷。

3.2.2 沖擊回波法檢測方案

首先，使用砂紙精心打磨管片測量區(qū)域的表面，使用粉筆在被測區(qū)域表面繪制出清晰的測線，作為后續(xù)操作的指引。在充分考慮沖擊波的傳播特性和檢測需求的基礎(chǔ)上，將敲擊點與傳感器之間的距離設定為5 cm，優(yōu)化信號傳輸路徑和接收效果。上方線條標示出預定的敲擊點位置，用圓圈明確標出每個敲擊點，便于操作時的定位；下方線條則代表加速度傳感器的放置線，用特定符號標記傳感器的放置點。此外，為避免邊緣效應對檢測結(jié)果的影響，在各個缺陷邊緣5 cm的范圍內(nèi)不設置測點。

4 檢測結(jié)果分析

該項目主要針對管片背后直接脫空這一注漿缺陷進行檢測。不同的脫空深度對于隧道安全造成的威脅程度不同，因此該項目在管片同一位置背后設置不同的脫空深度（1 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm），然后分別采用探地雷達和沖擊回波儀器進行檢測，其中探地雷達檢測時選擇400 MHz、900 MHz兩種天線，對比分析檢測結(jié)果，驗證兩種方法檢測盾構(gòu)管片背后空腔缺陷的準確性。

4.1 400 MHz探地雷達檢測結(jié)果

探地雷達首先經(jīng)過管片背后圍巖的區(qū)域，然后到達空腔區(qū)。其中，采用400 MHz天線的探地雷達檢測脫空厚度為25 cm的掃描分析圖如圖1所示：

當探地雷達發(fā)出的電磁波遭遇不同介電常數(shù)的介質(zhì)時，其反射特性會呈現(xiàn)出顯著差異，主要體現(xiàn)在反射波的幅值上。由圖1可以看出，雷達首先穿越了模擬圍巖的區(qū)域，隨后進入了預期的空腔區(qū)，由于介電常數(shù)的差異，在縱坐標約30 cm的位置觀測到一個顯著的反射信號峰值，且該位置處的反射信號為正向反射，與試驗前預設的缺陷埋深位置高度（30 cm）一致，因此可認為探地雷達可檢測出脫空厚度為25 cm的空腔。另外，針對脫空厚度為1 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm的五種不同工況進行了分析，其中，后三種工況均觀測到多次反射現(xiàn)象，反射信號峰值分別位于37 cm、41 cm以及48 cm的縱坐標位置。而在脫空厚度為1 cm、5 cm的雷達掃描分析圖中，并未在縱坐標30 cm處的位置發(fā)現(xiàn)反射信號峰值，即未檢測到空腔缺陷。

由此可見，在使用400 MHz天線的條件下，探地雷達對脫空厚度的檢測存在局限，無法準確反映出脫空厚度的具體變化。

4.2 900 MHz探地雷達檢測結(jié)果

采用900 MHz天線的探地雷達檢測脫空厚度為25 cm的掃描分析圖如圖2所示：

由圖2可以看出，與采用400 MHz天線的探地雷達檢測結(jié)果類似，在縱坐標約30 cm的位置觀測到一個顯著的反射信號峰值，且為正向反射。此外，5 cm、10 cm、15 cm、20 cm四種工況下的雷達圖中均出現(xiàn)了強反射面，但反射信號位置沒有對應變化。在脫空厚度為1 cm的雷達圖中，并未在縱坐標30 cm處的位置發(fā)現(xiàn)強反射面。

4.3 沖擊回波儀檢測結(jié)果

根據(jù)沖擊回波儀檢測得到的MEM圖像可得出，無論脫空厚度變化如何，彈性波信號均在距離管片表面約30 cm的位置遭遇了強烈的反射，導致信號完全隔絕，表明在該深度處存在一個顯著的阻抗差異界面，該界面與試驗前預設的空腔位置高度吻合。進一步分析發(fā)現(xiàn)，每個等值線結(jié)果圖中都存在一個位于約60 cm深處的后續(xù)反射面，識別為注漿層的底部。然而，彈性波在30 cm處提前發(fā)生了反射，驗證了阻抗差異界面的存在。由此可看出，沖擊回波法在管片空腔檢測中無法檢測到具體的脫空厚度，其檢測能力主要集中在空腔的存在性及其大致位置。

5 結(jié)語

該文圍繞探地雷達技術(shù)、沖擊回波法檢測管片背后注漿缺陷的基本原理、管片背后注漿缺陷檢測試驗方案的設計與結(jié)果分析進行了研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）沖擊回波法與探地雷達法均無法確定脫空厚度。

（2）相較于400 MHz天線，采用900 MHz天線的探地雷達能夠檢測到注漿層較小脫空厚度（5 cm）的空腔。

參考文獻

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