地質(zhì)雷達(dá)與沖擊彈性波在隧道二襯脫空無(wú)損檢測(cè)中的對(duì)比分析

張遠(yuǎn)軍，雷彤彤，羅技明

(四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都610045)

地質(zhì)雷達(dá)與沖擊彈性波在隧道二襯脫空無(wú)損檢測(cè)中的對(duì)比分析

張遠(yuǎn)軍，雷彤彤，羅技明

(四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都610045)

隧道二襯脫空危害越來(lái)越為業(yè)內(nèi)熟知，除了必要的防治措施，無(wú)損檢測(cè)也及其重要。文章對(duì)目前常用的隧道二襯脫空無(wú)損檢測(cè)技術(shù)地質(zhì)雷達(dá)和沖擊彈性波原理進(jìn)行了總結(jié)分析，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，總結(jié)了兩者之間的異同，異同雖多但無(wú)法相互取代，沖擊彈性波法和地質(zhì)雷達(dá)法兩種方法各有所長(zhǎng)，可取長(zhǎng)補(bǔ)短。在工程實(shí)際測(cè)試中，采用多種方法相結(jié)合，對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)將是必然的趨勢(shì)。

地質(zhì)雷達(dá)；沖擊彈性波；無(wú)損檢測(cè)

引言

隧道二次襯砌背后存在脫空將直接影響隧道的安全性能。目前國(guó)內(nèi)的隧道施工初期支護(hù)只是起到臨時(shí)的封閉作用，當(dāng)初支收斂無(wú)法穩(wěn)定時(shí)，一般緊跟施工做二襯補(bǔ)救，這也是實(shí)際工程中遵循的一個(gè)施工原則。所以二襯的作用就不僅僅是安全儲(chǔ)備，相反承載著較大的圍巖松散壓力。鑒于此，對(duì)于襯砌背后脫空檢測(cè)就顯得尤其重要。目前常用方法分為破壞性檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)[1]。破壞性檢測(cè)，如鉆孔檢查法屬于傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法，特點(diǎn)是效率低，偶然性大，代表性差，而且破壞了襯砌的整體性。無(wú)損檢測(cè)法如地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊彈性波法，特點(diǎn)是連續(xù)、高效、無(wú)損，具有分辨率高、圖像直觀、對(duì)場(chǎng)地條件要求低等優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)損檢測(cè)較之破壞性檢測(cè)，具有更廣泛的適用性，已然成為現(xiàn)代工程檢測(cè)、工程事故檢測(cè)與分析的重要工具，可快速準(zhǔn)確地找出隧道二次襯砌質(zhì)量隱患，檢測(cè)結(jié)果更具有代表性。本文通過(guò)對(duì)隧道二襯脫空危害及防治措施調(diào)查，指出無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)越性，并對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊彈性波法兩種無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為任何一種檢測(cè)技術(shù)都有其適用的條件和范圍。在以后的工程實(shí)際檢測(cè)中，不同無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)相互協(xié)調(diào)補(bǔ)充，采用多種方法相結(jié)合，對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)將是必然的趨勢(shì)。

1 二襯脫空危害及防治措施

1.1二襯脫空危害

二次襯砌脫空成因很多，有前序工序不到位，如初支面不平順，防水板掛設(shè)張弛度不適，拱架背后噴砼不密實(shí)等；有施工過(guò)程控制不當(dāng)，如泵送混凝土壓力不足，襯砌臺(tái)車底座支撐不牢固[2]，拆管過(guò)早等。無(wú)論什么原因形成的脫空都將危害到隧道的安全性能。

二次襯砌拱頂脫空時(shí)，拱部均為彎矩，即拱部上緣受拉，按常規(guī)配筋拱部上緣不配受力鋼筋，這就會(huì)使拱部上緣受拉開裂[3]，導(dǎo)致滲水和腐蝕鋼筋，進(jìn)而使二次襯砌混凝土破壞。另一方面，二次襯砌拱頂脫空以后，圍巖失去應(yīng)有的保護(hù)和支撐，可能使圍巖松弛和形變?cè)龃螅M(jìn)而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，脫落破壞[4]，對(duì)隧道二襯脫空狀況及早檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，及早進(jìn)行防治處理，直接關(guān)系到隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定和使用功能的正常發(fā)揮。

1.2二襯脫空防治措施

隧道屬于地下隱蔽工程，一旦建成，存在的問(wèn)題將很難發(fā)現(xiàn)和處理。因此，應(yīng)根據(jù)二襯脫空的成因，及早采取有效的防治措施，避免出現(xiàn)質(zhì)量事故。

對(duì)于施工，應(yīng)根據(jù)施工完成度，進(jìn)行及時(shí)的檢查，對(duì)隱蔽施工內(nèi)容應(yīng)采用合適的檢測(cè)手段，進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，如初襯的密實(shí)性，應(yīng)在防水板掛設(shè)前對(duì)噴射混凝土進(jìn)行檢測(cè)[5]；如防水板掛設(shè)完成后，應(yīng)托起防水板觀察其是否能與初襯面密貼。總之，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工缺陷，及時(shí)對(duì)施工工藝進(jìn)行調(diào)整，方能最大限度的保證質(zhì)量。

對(duì)于施工過(guò)程控制不當(dāng)，應(yīng)采取有針對(duì)性的措施。如加強(qiáng)混凝土澆筑過(guò)程控制[6]。

(1)減小混凝土干縮徐變，保證泵送管到位并按序澆筑，確保振搗密實(shí)，應(yīng)有專人監(jiān)管等。襯砌臺(tái)車應(yīng)保證支墊穩(wěn)固，定期檢修，防止混凝土澆筑后被壓碎引起臺(tái)車下沉，或臺(tái)車屈服變形。

(2)鑒于脫空存在的危害性，加強(qiáng)施工管理，進(jìn)行早期防治是非常有必要的，但僅此還不夠，采取有效的檢測(cè)手段，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞的地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊彈性波法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢測(cè)，確保隧道整體安全性也非常重要。

2 地質(zhì)雷達(dá)法

現(xiàn)階段，檢測(cè)隧道二襯脫空的手段較多，常見(jiàn)的有：視覺(jué)檢查；打聲法；地質(zhì)雷達(dá)；紅外熱成像等，國(guó)內(nèi)使用最廣泛的二襯脫空無(wú)損檢測(cè)方法是使用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。

地質(zhì)雷達(dá)所采用的方式是反射測(cè)量，它的工作原理是天線發(fā)射器將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，發(fā)射到介質(zhì)內(nèi)部，然后經(jīng)過(guò)存在電性差異的介質(zhì)層，雷達(dá)天線接收器接收一部分被反射折向地面的電磁能量，而另一部分能量被折射進(jìn)入到下一層介質(zhì)后繼續(xù)傳播[7]，通過(guò)測(cè)得的反射波旅行時(shí)間及電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出反射面距離表面的距離。與此同時(shí)，根據(jù)接收到的反射波波形、振幅強(qiáng)度、時(shí)間變化和頻譜變化，就能夠推斷地下介質(zhì)的空間位置狀況、結(jié)構(gòu)形態(tài)等屬性。

地質(zhì)雷達(dá)原理如圖1所示，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線距離為x時(shí)，目標(biāo)的深度為：

其中：V為介質(zhì)中的電磁波速度，T為測(cè)試反射時(shí)間。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理示意圖

地質(zhì)雷達(dá)能夠較好地對(duì)隧道二襯厚度等做出較準(zhǔn)確的檢測(cè)。但是在檢測(cè)過(guò)程中，由于探測(cè)精度與所取的波速有很大的關(guān)系，所以需要在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取足夠多的測(cè)點(diǎn)來(lái)標(biāo)定波速。而通常情況下，雷達(dá)波在混凝土中具有一定的離散性，這種離散性有時(shí)可達(dá)5%～10%，因此在注意波速測(cè)取時(shí)，可以將襯砌厚度的誤差限制在2 cm～4 cm的范圍內(nèi)。

3 沖擊彈性波法

沖擊彈性波法又可以分為振動(dòng)法和沖擊回波法。其中振動(dòng)法通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、卓越周期、最大加速度等參數(shù)特性變化判定結(jié)構(gòu)的脫空狀況。該方法測(cè)試受空腔內(nèi)填充物、邊界條件等影響較大，從而使得振動(dòng)法具有極大的局限性，如當(dāng)空腔內(nèi)存在泥漿、碎渣等柔性材料時(shí)，其振動(dòng)特征參數(shù)將反向變化；當(dāng)結(jié)構(gòu)體積較大，厚度較厚時(shí)，難以振動(dòng)，一般該方法更適用于表層或淺層脫空檢測(cè)。

沖擊回波法則是采用彈性波反射特性，通過(guò)阻抗差異對(duì)板狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況進(jìn)行檢測(cè)[8]，其測(cè)試深度與擊振能量等有關(guān)，目前一般可以達(dá)到80 cm以上，而二襯結(jié)構(gòu)厚度一般在40 cm～60 cm，在厚度上相對(duì)適用沖擊回波法檢測(cè)。

沖擊回波法使用沖擊錘沿二襯表面連續(xù)激發(fā)彈性波信號(hào)，當(dāng)彈性波信號(hào)在結(jié)構(gòu)介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到空洞、脫空面等疏松介質(zhì)時(shí)，其反映為機(jī)械阻抗(一般用z表示材料的機(jī)械阻抗，z=ρCA，這里的A是斷面截面積)的變化。在機(jī)械阻抗發(fā)生變化的界面上，傳播的彈性波會(huì)產(chǎn)生波的反射[9]，如圖2所示，阻抗差異越大反射信號(hào)能量越強(qiáng)，即當(dāng)存在脫空時(shí)，絕大部分信號(hào)反射，并被傳感器接收；當(dāng)不存在脫空時(shí)，由于二襯與初支阻抗差異相對(duì)小得多，反射信號(hào)很微弱，絕大部分信號(hào)發(fā)生透射，傳感器接收到的信號(hào)能量很微弱。根據(jù)反射信號(hào)(能量)的強(qiáng)弱，即可識(shí)別脫空的有無(wú)及深度位置。

圖2 沖擊回波法原理示意圖

4 工程實(shí)例

4.1工程概況

某鐵路專線進(jìn)行隧道厚度及二襯脫空檢測(cè)，檢測(cè)長(zhǎng)度為200 m，檢測(cè)同時(shí)使用沖擊彈性波檢測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。

4.2測(cè)點(diǎn)布置

此次檢測(cè)地質(zhì)雷達(dá)共布置5條測(cè)線，分別為拱頂1條，拱腰2條以及邊墻2條，沖擊彈性波檢測(cè)共布置3條測(cè)線，分別為拱頂1條以及邊墻2條，且檢測(cè)間距為5 m一個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)布置4×4網(wǎng)格，網(wǎng)格的行列間距為0.5 m。

4.3檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)拱頂測(cè)線檢測(cè)結(jié)果顯示拱頂DK555+980位置存在脫空，但顯示脫空范圍較小，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果圖

使用沖擊彈性波進(jìn)行檢測(cè)同樣發(fā)現(xiàn)在隧道拱頂DK555+980位置存在脫空，其范圍為測(cè)試坐標(biāo)中x軸0.9～1.5 m，y軸0～0.6 m，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 沖擊彈性波檢測(cè)結(jié)果圖

通過(guò)沖擊彈性波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)脫空面積較大，為保證后期隧道安全，所以擴(kuò)大布點(diǎn)范圍，由4×4改為8×15，且檢測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)距為0.3 m，線距為0.6 m，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，圖5中紅色部分為脫空位置，脫空面積較大。

圖5 沖擊彈性波檢測(cè)結(jié)果圖

4.4檢測(cè)結(jié)論

從擴(kuò)大布點(diǎn)范圍測(cè)試結(jié)果可知，測(cè)試區(qū)域內(nèi)有較大面積存在脫空，后經(jīng)打孔驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況完全吻合(圖6、圖7)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

圖7 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔卷尺測(cè)深

5 地質(zhì)雷達(dá)法與沖擊彈性波法對(duì)比

地質(zhì)雷達(dá)法[10]和沖擊彈性波法用于檢測(cè)隧道二襯脫空的原理基礎(chǔ)是一致的，同時(shí)都用到了信號(hào)(波)的反射特征，但兩者所用到的媒介有較大的差異。地質(zhì)雷達(dá)用的是高頻電磁波，頻率一般從十兆赫茲到數(shù)千兆赫茲，即其波長(zhǎng)，而沖擊彈性波法用的是低頻聲波，頻率一般從數(shù)百赫茲到數(shù)千赫茲。正因如此，兩種方法既有共性也有差異(表1)[11]。

表1 地質(zhì)雷達(dá)法與沖擊彈性波法異同

由表1可知，兩種方法異同點(diǎn)較多，但又無(wú)法相互取代。如在二襯脫空檢測(cè)中，既需要較高的測(cè)試效率，又需要較高的位置判別精度，則需要兩種方法相結(jié)合。地質(zhì)雷達(dá)可用于快速地線性掃描[12]，對(duì)掃描段面做出快速的判定，對(duì)可能脫空的段面，可采用沖擊彈性波法進(jìn)行平面掃描，通過(guò)處理生成掃描平面的二維等值線圖(圖4、圖5)，最終對(duì)脫空的具體位置，脫空范圍大小等做出準(zhǔn)確的判定，并為后期處理提供較為可靠的參考依據(jù)。

現(xiàn)代隧道施工中鋼筋含量較高，除了較密集的鋼筋網(wǎng)外，還有工字鋼等。由于地質(zhì)雷達(dá)采用的是高頻電磁波[13]，采用介電系數(shù)表達(dá)其反射系數(shù)R為：

相對(duì)介電常數(shù)越小，則電磁波越容易穿透。而金屬的相對(duì)介電常數(shù)為無(wú)窮大，因而電磁波遇到混凝土中的鋼筋則全部反射，完全無(wú)法到達(dá)結(jié)構(gòu)底部，失去對(duì)脫空檢測(cè)的能力。

總之，地質(zhì)雷達(dá)法和沖擊彈性波法用于檢測(cè)隧道二襯脫空，各自都有其優(yōu)勢(shì)和不足之處，但兩者之間絕大部分是互補(bǔ)的，因此，在實(shí)際工程檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需要選擇合適的測(cè)試方法，必要的時(shí)候應(yīng)采用兩種或多種方法，進(jìn)行相互彌補(bǔ)。

6 結(jié)論

(1)地質(zhì)雷達(dá)在二襯脫空檢測(cè)中是最常見(jiàn)的一種高效的檢測(cè)方法[14]，其顯著特點(diǎn)是測(cè)試快速高效，精準(zhǔn)度高，具有一定的深度測(cè)試能力，其不足在于其受鋼筋、水等影響較大。

(2)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)小缺陷的識(shí)別與其使用的天線有關(guān)，因此，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行脫空檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)襯砌厚度、預(yù)計(jì)測(cè)試深度選擇合適的天線十分必要[15]。

(3)沖擊彈性波相對(duì)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)鋼筋、水等不敏感，因此彈性波檢測(cè)基本不受鋼筋和水的影響，這一點(diǎn)彌補(bǔ)了地質(zhì)雷達(dá)的不足。

(4)沖擊彈性波檢測(cè)具有更廣泛的適用范圍，相對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)的線性檢測(cè)，彈性波法能準(zhǔn)確判定出脫空位置以及脫空面積，實(shí)現(xiàn)由線到面的檢測(cè)評(píng)價(jià)，相對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)更具有直觀性。

(5)沖擊彈性波二襯脫空檢測(cè)就影響因素而言具有一定的優(yōu)勢(shì)，但相比地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)效率低，因此根據(jù)檢測(cè)條件和檢測(cè)要求，選擇合適的檢測(cè)方法十分必要。由于任何一種檢測(cè)技術(shù)都有其適用的條件和范圍，沖擊彈性波法和地質(zhì)雷達(dá)法兩種方法各有所長(zhǎng)，可取長(zhǎng)補(bǔ)短，在以后的工程實(shí)際測(cè)試中，采用多種方法相結(jié)合，對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)將是必然的趨勢(shì)。

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ContrastAnalysisofGeologicalRadarandImpactElasticWaveintheTunnelTwoLinedVoidinNondestructiveDetection

ZHANGYuanjun,LEITongtong,LUOJiming

(Sichuan Extension Test Technology Limited by Share Ltd., Chengdu 610045, China)

Tunnel two lined void harm is becoming more and more well known in the industry, in addition to the necessary preventive measures, testing also appears to be important. In this paper, the commonly used tunneling nondestructive testing technology geological radar and the impact of elastic wave principle of the summary are analyzed, and then through the comparison in practical application, the similarities and differences of them are summed up. The results show that they are complementary, and can not replace each other. It is considered that the two methods of impact elastic wave method and geological radar method have their own advantages. In the future engineering practice, it is necessary to combine the various methods to evaluate the test object comprehensively.

ground penetrating radar; shock wave; nondestructive testing

TU459+.9

A

2017-06-16

四川省科技廳基金項(xiàng)目(2016GFW0137)

張遠(yuǎn)軍(1982-)，男，四川南充人，主要從事土木工程無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究，(E-mail)176144466@qq.com

1673-1549(2017)05-0069-05

10.11863/j.suse.2017.05.12