水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)及穩(wěn)定性分析

■毛 爽 ■中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014

裂縫、滲漏是水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的常見病害。其產(chǎn)生原因是多方面的，設(shè)計(jì)不合理，施工質(zhì)量欠佳，運(yùn)行管理不善，用途或者是使用條件的改變，甚至是遭受到意外的荷載等，都會(huì)使得水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的傷害，不利于水利工程設(shè)施的建設(shè)。因此，采用何種方法，對(duì)其缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并且及早發(fā)現(xiàn)，采取措施是一個(gè)值得研究的問題。

1 水利工程隧洞襯砌結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)常用方法

(1)構(gòu)件裂縫檢測(cè)。在施工階段和使用階段，由于受到材料、荷載、環(huán)境等主客觀因素的影響，水利工程混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生受力裂縫和非受力裂縫，在對(duì)構(gòu)件的裂縫進(jìn)行檢查時(shí)，可以借用放大鏡、鋼尺、超聲脈沖波等工具，對(duì)裂縫的寬度、長(zhǎng)度、走向、深度、類型等進(jìn)行重點(diǎn)檢查，以此來對(duì)裂縫的性質(zhì)與成因進(jìn)行判斷，并且采用分布圖的形式把裂縫的形式繪制出來，并且在圖紙上進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)注。

(2)混凝土腐蝕檢測(cè)。在水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中，由于混凝土受到腐蝕，其原因主要有化學(xué)腐蝕、碳化、以及堿骨料反應(yīng)等，對(duì)于不同的腐蝕情況，可以采用電學(xué)分析、化學(xué)分析、電鏡分析、差熱分析、微波分析等幾種檢測(cè)方法，對(duì)混凝土材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，以及滲透性、含水量等和腐蝕性相關(guān)的物理參數(shù)，然后依據(jù)一定的參數(shù)來分析，從而方便后期采取措施對(duì)其進(jìn)行整治。

(3)鋼筋銹蝕檢測(cè)。在水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中，會(huì)出現(xiàn)鋼筋銹蝕的現(xiàn)象，一般情況下可以分為化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等幾種，在水工隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)中，最常見的是電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。因此，要采取措施對(duì)其缺陷進(jìn)行檢測(cè)，主要的檢測(cè)方法有裂縫分析法、電阻法、電位法、紅外線掃描技術(shù)等，對(duì)鋼筋銹蝕的程度和原因進(jìn)行分析，從而找到防止的方法。

2 探地雷達(dá)在水工隧洞缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

探地雷達(dá)是向地下發(fā)送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，是研究電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的一種地球物探方法，也是當(dāng)前工程檢測(cè)和勘察領(lǐng)域最為熱門的技術(shù)方法之一。

2．1 基本原理

探地雷達(dá)(GroundPenetratingRadar，簡(jiǎn)稱GPR)又稱透地雷達(dá)，是一種廣譜電磁技術(shù)，利用介于106～109Hz不同頻率的無線電波，確定地下介質(zhì)分布情況的一種無損檢測(cè)方法。其工作原理是:由雷達(dá)主機(jī)控制的地面天線連續(xù)向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖的電磁波，因地下各介質(zhì)的介電常數(shù)不同，當(dāng)電磁波傳播到不同介電常數(shù)的分界面時(shí)，便會(huì)發(fā)生反射，電磁波經(jīng)地層目標(biāo)體反射后返回至地面，被地面的接收天線所接收，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形與傳播介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，因此，可根據(jù)接收反射波的時(shí)頻特征和振幅特征，探測(cè)出地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與埋設(shè)物體分布，即探地雷達(dá)根據(jù)各物質(zhì)獨(dú)特的電性勾繪出不同的電性界面，反映出地下不同物體輪廓圖像，指示目標(biāo)位置。通過處理接收反射波獲取地下目標(biāo)體圖像，得出地下介質(zhì)的特征信息，從而達(dá)到工程地質(zhì)勘察的目的。

2．2 檢測(cè)和分析工作的流程

為便于數(shù)據(jù)解釋和反饋檢測(cè)結(jié)果于襯砌缺陷的處理中，檢測(cè)前務(wù)必得按一定距離布置一個(gè)參照點(diǎn)，一般設(shè)置為每米一個(gè)小標(biāo)記，每米一個(gè)大標(biāo)記。檢測(cè)之前還需要做的準(zhǔn)備工作就是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的調(diào)整探測(cè)參數(shù)，隨著襯砌條件的不同，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整采樣時(shí)窗、采樣間隔和中心頻率，另外，由于每一段襯砌的施作環(huán)境不一樣，電磁參數(shù)也存在差異，因此在檢測(cè)前，選取具有代表性的區(qū)域(已知襯砌厚度)求其電磁波的傳播速度。

在襯砌檢測(cè)時(shí)，不僅要采集有效的雷達(dá)數(shù)據(jù)，而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況的手工記錄亦十分重要，如某些斷面因各種原因不得不中斷數(shù)據(jù)采集，另外的工作人員就得及時(shí)按時(shí)間記錄下該區(qū)間的起訖柱號(hào)，以便于檢測(cè)結(jié)論報(bào)告的準(zhǔn)確無誤。

2．3 探地雷達(dá)在引水隧洞襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用

(1)襯砌厚度檢測(cè)。探地雷達(dá)可以連續(xù)的獲取被檢測(cè)物體的掃描信號(hào)。如圖1是隧洞襯砌厚度檢測(cè)示意圖，從圖中可以看出同相軸連續(xù)性很好，未發(fā)現(xiàn)圖像異常，二襯、初襯、圍巖之間的分界面相互之間基本平行。電磁波從空氣傳播至二襯，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射。當(dāng)電磁波繼續(xù)往下傳播時(shí)，叢二襯到初襯和從初襯到圍巖的過程中，如果介電常數(shù)發(fā)生了變化，電磁波的相位和幅度會(huì)同樣隨之發(fā)生變化。

圖1 襯砌厚度示意

(2)鋼筋數(shù)量檢測(cè)。隧洞襯砌結(jié)構(gòu)所使用的鋼筋網(wǎng)為良好的金屬導(dǎo)體，電磁波從混凝土傳播至鋼筋表面時(shí)，電磁波不能夠在鋼筋中傳播，這時(shí)的電磁波會(huì)在鋼筋表面發(fā)生全反射，反射能量很強(qiáng)，系數(shù)接近于1。使用探地雷達(dá)探測(cè)，鋼筋能夠形成連續(xù)清晰的反雙曲線型的整排異常圖像，呈魚鱗狀，據(jù)此特征能夠可靠地檢測(cè)出鋼筋的數(shù)量和位置。圖2是鋼筋數(shù)量檢測(cè)示意圖，從圖中我們可以明確的判斷出鋼筋的數(shù)量和位置，其弧形頂部中心部位為鋼筋實(shí)際部位所在。

圖2 鋼筋網(wǎng)數(shù)量示意

(3)脫空檢測(cè)。脫空現(xiàn)象在隧洞混凝土襯砌施中普遍存在，電磁波從混凝土傳播至脫空部位時(shí)，由于介質(zhì)介電常數(shù)的差異會(huì)引起電磁波的反射，形成一條同相軸，根據(jù)同相軸產(chǎn)生的部位及特征可判定脫空的位置和大小。當(dāng)電磁波從混凝土進(jìn)入空氣中(由低速介質(zhì)向高速介質(zhì)傳播)，第一反射系數(shù)為正，反射波波幅與入射波同相，圖像對(duì)應(yīng)部位稱之為為正相位;當(dāng)電磁波從混凝土進(jìn)入水中時(shí)(由高速介質(zhì)傳播至低速介質(zhì))，第一反射系數(shù)為負(fù)，反射波波幅與入射波反相，圖像對(duì)應(yīng)部位稱之為為負(fù)相位。故由空氣填充的空洞在圖像上顯示為“正相位—負(fù)相位—正相位”連續(xù)的圖像;而如果空洞被水填充，則圖像上的相位顯示為“負(fù)相位—正相位—負(fù)相位”。

3 襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

圖3 襯砌脫空示意

作為水電站引水發(fā)電的重要組成部分，如果襯砌結(jié)構(gòu)在建成后存在缺陷(襯砌厚度不足、受力筋布置達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、襯砌背后出現(xiàn)不密實(shí)、甚至空腔或者空腔群等)時(shí)，將惡化襯砌結(jié)構(gòu)的承載條件，相互作用下又引起圍巖不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致圍巖松動(dòng)荷載增大。如此以往，襯砌結(jié)構(gòu)的安全性必然降低，甚至影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低隨洞的預(yù)期使用壽命，運(yùn)營(yíng)后的維修成本也就大大的提高了。

隨著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的不斷推陳出新，隧道設(shè)計(jì)思想亦有了重大的轉(zhuǎn)變，從過去的單純依靠襯砌承載的觀點(diǎn)，向主要依靠圍巖，充分利用圍巖自身的承載能力方面轉(zhuǎn)變。在襯棚結(jié)構(gòu)上，從過去的單一磚混、鋼混結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展到以噴錨為初期支護(hù)，與二襯組成復(fù)合式的支護(hù)體系。因此，如何保護(hù)好圍巖，同如何保證襯砌的穩(wěn)定性一樣重要。

通過對(duì)隧洞毛洞狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出圍巖的自穩(wěn)能力差、相對(duì)變形量大等特點(diǎn)。因此在這個(gè)前提下，就不得不實(shí)施快支護(hù)，以控制圍巖變形，改善其受力條件。

4 結(jié) 語

盡管隧道襯砌的缺陷解決起來有些繁瑣，但是，我們?nèi)绻凑宅F(xiàn)實(shí)需要來進(jìn)行選擇，出現(xiàn)缺陷的情況就會(huì)有所改變，從而預(yù)防缺陷出現(xiàn)，保障水工隧洞的穩(wěn)定性。

［1］鞠程宇．沈陽(yáng)地鐵隧道襯砌混凝土腐蝕與檢測(cè)試驗(yàn)研究［D］．沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2013．