綜合物探在某水工隧洞襯砌質量檢測中的應用

崔召，姜順龍，劉家偉，李春洪，張途

（云南勘中達巖土工程質量檢測有限公司 昆明 650225）

0 引言

在云南省某水庫工程施工過程中發現，由于受到地質條件、施工水平等因素的影響與制約，導流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質量存在缺陷。一方面，在重力、施工荷載以及地下水等條件的影響下，隧洞洞室頂拱與圍巖接觸面容易出現脫空現象或松動帶。另一方面，由于施工技術水平的制約，如振搗不到位等因素的影響，容易造成隧洞洞室左右邊墻混凝土襯砌與圍巖接觸面出現脫空現象、混凝土襯砌內部出現空洞、不密實等情況。為了確保導流、泄洪隧洞工程的質量安全以及后續的運行安全，同時為水庫工程竣工驗收提供質量評價，需采用有效的工程物探技術方法，對已建成的導流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質量進行檢測，查明洞室混凝土襯砌存在的質量缺陷，及時提出相應的工程處理措施。

探地雷達是一種重要的工程物探技術方法，具有高效率、高分辨率、高精度的特點，同時探地雷達操作方便，作業連續性高等特點，也使得探地雷達在洞室混凝土襯砌質量檢測、建基巖體質量檢測等工程物探領域得到廣泛的應用[1]。鉆孔電視是另一種重要的工程物探技術方法，將攝像頭置于鉆孔中，對鉆孔孔壁進行全程實時拍攝并記錄，具有系統集成度高、剖面實時自動提取、孔深自動校準等特點，使得鉆孔電視在混凝土質量檢測、灌漿效果檢測以及配合洞室混凝土襯砌質量檢測等工程物探領域得到廣泛應用。

本文以該工程項目為例，介紹了綜合探地雷達、鉆孔電視工程物探技術方法，對隧洞洞室混凝土襯砌開展物探檢測工作，并將結果進行分析研究，為今后水利水電工程物探檢測提供了參考數據。

1 工程物探原理與方法

1.1 探地雷達工作原理與方法

探地雷達的基本原理是利用高頻電磁波(1MHz~1GHz)，以脈沖形式通過發射天線被定向地送入地下。雷達波在地下介質中傳播時，當遇到存在電性差異的地下地層或目標體時，電磁波便發生反射，返回地面后由接收天線所接收。在對接收天線所接收到的雷達波進行處理和分析的基礎上，根據接收到的雷達波波形、強度、時間等推斷地下介質的空間位置、結構、電性質及幾何形態，從而達到對地下地層或目標體的探測[2]。探地雷達工作原理示意圖如圖1所示：

電磁波在特定介質中的傳播速度V是不變的，由于屏蔽天線中，發射天線與接收天線之間的距離相比于所要探測的目標體的距離可以忽略不計，因此根據探地雷達所記錄的地面反射波與地下反射波的時間差△T，即可根據下式計算出地下異常或目標體的埋藏深度H：

其中：H為埋藏深度，也稱為目標層厚度；V為電磁波在介質中的傳播速度[3]。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

探地雷達的工作前提是探測對象或目標體與周圍介質間存在著明顯的電性差異，電磁波在介質中的傳播速度與介質的介電常數、磁導率有關。介電常數是一個無量綱物理量，它表征一種物質在外加電場的情況下，儲存極化電荷的能力。介電常數不同的兩種介質的界面，會引起電磁波的反射，反射波的強度與兩種介質的介電常數及電導率的差異有關。磁導率是一個無量綱物理量，它表征介質在磁場作用下產生磁感應能力的強弱。絕大多數工程介質都是非鐵磁性物質，磁導率都近似于1，對電磁波的傳播特性無重要影響。因此，可根據下式計算出電磁波在介質中的傳播速度：

其中：C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；

ε為相對介電常數，取決于地下各層構成物質的介電常數。

1.2 鉆孔電視工作原理與方法

鉆孔電視的基本原理是全景攝像探頭進入鉆孔，攝像光源照亮鉆孔孔壁上的攝像區域，孔壁圖像經錐面反射鏡變換后形成全景圖像，全景圖像與羅盤方位圖像一并進入攝像機。攝像機將攝取的圖像經專用電纜傳輸至位于地面的視頻分配器中，一路進入攝像機，記錄探測的全過程；另一路進入計算機內的捕獲卡中進行數字化。位于絞車上的測量輪實時測量探頭所處的位置，并通過接口板將深度值置于計算機內的專用端口中，由深度值控制捕獲卡的捕獲方式。在連續捕獲方式下，全景圖像被快速地還原成平面展開圖，并實時地顯示出來，用于現場監測。在靜止捕獲方式下，全景圖像被快速地存儲起來，用于現場的快速分析和室內的統計分析，下降探頭直至整個探測過程結束[4]。鉆孔電視工作原理詳見圖2：

鉆孔電視由全景攝像探頭、圖像捕獲卡、深度脈沖發生器、計算機、錄像機、監視器、絞車及專用電纜等組成。全景攝像探頭包括：錐面反射鏡、光源、磁性羅盤以及微型CCD攝像機。

鉆孔電視的關鍵技術是全景技術（截頭的錐面反射鏡）和數字技術（數字視頻和數字圖像）。全景技術實現了360°鉆孔孔壁的二維表示，疊加方位信息后形成的平面圖像稱為全景圖像；數字技術實現了視頻圖像的數字化，通過全景圖像的逆變換算法，還原真實的鉆孔孔壁，形成鉆孔孔壁的數字柱狀圖像[5]。

2 工程實例

2.1 工程概況

本論文所研究的某水庫樞紐工程位于云南省境內，水庫樞紐工程由大壩、導流泄洪隧洞、溢洪道及輸水隧洞等組成，大壩為粘土心墻風化料石渣壩，最大壩高59.3m。樞紐工程主要建筑物級別為3級，溢洪道、泄洪隧洞、輸水隧洞為3級建筑物，其中泄洪隧洞與導流隧洞全結合，布置在大壩左岸，工作閘門后為圓拱直墻形無壓隧洞，無壓洞身段斷面尺寸為4.5m×6.5m，軸線全長為383.5m，其中洞身段長323.5m。

2.2 探地雷達測線布置及參數設置

探地雷達檢測導流、泄洪隧洞無壓洞身段洞室混凝土襯砌質量的測線布置，結合無壓洞身段實際情況，在該隧洞的頂拱以及左、右邊墻部位共布置四條探地雷達徑向測線。為了進一步確定洞室混凝土襯砌與圍巖接觸面的脫空缺陷，對徑向測線所檢測出來的脫空位置進行了加密檢測，針對脫空位置布置環向測線，探地雷達測線布置示意圖詳見圖3。

圖3 探地雷達測線布置示意圖

由于水利水電工程隧洞內的檢測環境較為復雜，隧洞內的電線電纜、金屬物件以及鋼管腳手架等都會對探地雷達的檢測作業產生一定的干擾。因此，洞室混凝土襯砌質量檢測通常采用屏蔽天線。本次探地雷達檢測所使用設備為意大利IDS公司生產的RISK2型探地雷達。該探地雷達系統主要由K2型探地雷達雙通道主機、天線和處理軟件三部分組成，使用400MHz屏蔽天線進行物探檢測。

在物探檢測過程中，屏蔽天線與洞室混凝土襯砌表面緊密貼合，同時沿著測線勻速前行[6]，探地雷達以寬頻帶短脈沖的形式向襯砌混凝土內部發射電磁波[7]，進行連續、快速采集工作。探地雷達工作參數設置詳見表1。

2.3 鉆孔電視測區布置

鉆孔電視測區布置，結合探地雷達圖像成果，選擇洞室混凝土襯砌脫空特征點進行鉆孔作業，使用鉆孔電視開展物探檢測工作。在鉆孔進行充分清洗后，鉆孔電視在干孔中直接進行物探檢測。所選取的鉆孔點為探地雷達圖像所呈現的兩個脫空范圍較大的特征點，分別為左邊墻，樁號DX0+152.40m以及右邊墻，樁號DX0+159.10m，鉆孔位置布置詳見圖4所示。

表1 探地雷達工作參數設置表

圖4 鉆孔位置布置示意圖

鉆孔電視物探檢測使用的儀器為JL-IDOI(C)智能三維鉆孔電視成像儀，深度計數器用來記錄探頭在鉆孔內行進的深度，探頭內帶LED發光二極管和攝像機，用來攝取孔壁圖像，獲得的視頻信號通過專用電纜傳輸到主機，主機接收到深度計數器傳來的深度脈沖信號和探頭傳來的視頻信號，計算探頭所在的位置，主機將鉆孔內的實際情況進行成像和視頻錄制。鉆孔電視對鉆孔中拍攝的孔壁圖像進行分析，根據所生成孔壁的數字柱狀圖像分析判斷鉆孔內的地質現象[8]。

2.4 檢測結果

2.4.1探地雷達檢測結果

該工程導流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質量檢測探地雷達圖像是采用GresWin2軟件處理之后得到的，左邊墻洞室混凝土襯砌徑向測線探地雷達圖像詳見圖5，左邊墻質量缺陷為洞室混凝土與圍巖接觸面的脫空，表2列出了左邊墻洞室混凝土襯砌質量檢測結果。

右邊墻洞室混凝土襯砌徑向測線探地雷達圖像詳見圖6，右邊墻質量缺陷為洞室混凝土與圍巖接觸面的脫空，表3列出了右邊墻洞室混凝土襯砌質量檢測結果。

圖5 DX0+151.40~DX0+154.20探地雷達圖像

表2 左邊墻洞室混凝土襯砌脫空檢測結果表

圖6 DX0+157.70~DX0+160.70探地雷達圖像

表3 右邊墻洞室混凝土襯砌脫空檢測結果表

為了更進一步確定洞室混凝土襯砌脫空情況的結構、埋藏深度，針對徑向測線所檢測出來的脫空位置布置環向測線，對左、右邊墻洞室混凝土襯砌進行加密檢測，加密檢測探地雷達圖像詳見圖7，加密檢測探地雷達工作參數設置如表4所示。

2.4.2鉆孔電視檢測結果

為復核探地雷達檢測結果的準確性，鉆孔電視采用DSP圖像采集處理系統得到的洞室混凝土襯砌與圍巖接觸面的脫空圖像詳見圖8，表5列出了洞室混凝土襯砌質量檢測結果。

2.5 檢測結果對比分析

圖7 洞室混凝土襯砌質量加密檢測探地雷達圖像

表4 加密檢測探地雷達工作參數設置表

通過對該工程導流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌的質量采用探地雷達、鉆孔電視兩種工程物探方法進行聯合檢測[9]，兩種工程物探方法的檢測結果對比如表6所示。

由表6可以看出，探地雷達、鉆孔電視兩種工程物探方法檢測隧洞洞室混凝土襯砌脫空結果存在一定的符合性。在同樣的樁號位置，兩種工程物探技術方法均檢測出脫空現象，但是探地雷達所檢測到的脫空距離表面深度相比于鉆孔電視的檢測結果要大5%左右，探地雷達所檢測到的脫空深度相比于鉆孔電視的檢測結果存在20%~30%的偏差。

3 結論

圖8 洞室混凝土襯砌質量檢測鉆孔電視圖像

表5 洞室混凝土襯砌脫空情況鉆孔電視檢測結果表

表6 探地雷達與鉆孔電視檢測洞室混凝土襯砌脫空結果對比表

綜上基于探地雷達、鉆孔電視的工作原理與檢測方法，利用兩種工程物探技術方法對某水庫工程導流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質量進行的物探檢測。兩種方法的檢測結果表明探地雷達、鉆孔電視兩種工程物探檢測結果在脫空深度方面雖然存在一定的差異性，但是探地雷達檢測效率高，對洞室混凝土襯砌無破壞作用，同時檢測工作周期短。鉆孔電視可以在探地雷達檢測結果的基礎上，對工程質量缺陷進行鉆孔作業，開展精確檢測，一方面可復核探地雷達的檢測結果，另一方面可充分發揮工程物探檢測技術在水利水電工程中的優勢和潛力[10]。此研究成果為該水庫工程導流、泄洪隧洞工程質量評價以及洞室混凝土襯砌缺陷處理提供了重要依據，同時也為今后水利水電工程物探檢測提供了一定的理論與技術支持。

（本文為云南省混凝土協會推薦）