物探技術在隧洞襯砌質量檢測中的應用

徐 濤，曾永軍，張建清，嚴 俊

(1.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010；2.貴州省水利投資(集團)有限責任公司黔中分公司，貴州 六盤水 553000)

1 概述

隧洞襯砌作為“新奧法”施工隧道中的主要承載結構，對于維持隧道的安全施工和長效運行具有極其重要的作用。由于施工過程中人員操作不當、質量控制不嚴等因素影響，可能會造成襯砌質量問題，給隧洞安全帶來隱患。因此，對已施工隧洞襯砌結構進行檢測，及時發現質量問題并進行處理，避免重大安全事故發生尤為重要。

早期襯砌結構缺陷檢測采用鉆芯法，其具有成果直觀、可靠度高的特點，但由于鉆孔取芯對隧道襯砌支護系統具有一定破壞性，而難以進行大批量抽樣檢測，少量成果難以反映隧道襯砌結構整體質量。以探地雷達為主的無損探測技術，具有操作簡便、效率高、對結構無損傷等特點，在隧洞襯砌檢測中得到廣泛應用[2- 5]。近年來隨著超聲檢測技術快速發展，超聲波反射成像以其分辨率高、指向性好、反應靈敏、精度高的特點，在混凝土檢測中取得了很好的應用效果[6- 9]。

目前超聲橫波反射成像技術在大體積混凝土質量檢測中開展了大量研究[9]，但在隧洞襯砌質量檢測應該研究相對較少，文中采用陣列超聲橫波反射成像和探地雷達等地球物理探測方法相結合，對引水隧洞混凝土襯砌結構進行了無損檢測，并采用鉆芯法進行了成果驗證，驗證結果表明采用綜合方法獲得的無損檢測成果準確全面地反映了隧洞襯砌結構實際情況。

2 檢測原理與方法

2.1 超聲橫波反射成像技術

(1)檢測原理

超聲橫波是質點振動方向與波的傳播方向相垂直的一種彈性波，在傳播橫波時物體中質點要產生剪切變形，由于液體和氣體中無剪切彈性，因此，橫波只能在固體中傳播，所以當超聲橫波在傳播過程中遇到固體-液體界面或者固體-氣體界面等波阻界面時，不能發生透射而在該界面處發生全反射。

超聲橫波反射成像基本原理是超聲橫波在混凝土中傳播時遇到了波阻抗有差異的物體，如鋼筋、水體、空洞或欠密實區域等，就會發生反射。檢測時用換能器將超聲橫波脈沖發射到襯砌結構中，再利用換能器接收反射脈沖，通過反射波信息來判斷隧洞襯砌結構中是否存在反射界面(體)，然后結合隧洞設計施工結構對比，排除鋼筋等內部構件反射信息后，判斷襯砌結構質量情況。

(2)技術方法

超聲橫波反射成像法利用陣列超聲橫波反射成像儀，該儀器采用干耦合式單晶DPC換能器陣列發射和接收超聲橫波，采用合成孔徑聚焦技術進行信號處理和圖像重建。該換能器陣列由4×12共48道DPC傳感器組成如圖1所示，每個傳感器既可作為發射換能器，也可作為接收換能器。工作時采集控制單元依次將每一列4個傳感器作為發射換能器，其他列傳感器作為接收換能器，直至前11列都作過發射器，單次采集結束；然后移至下一點繼續采集如圖2所示。最后將單點采集成果組合成測線方向連續二維斷面成果。

圖1 DPC換能器陣列

圖2 橫波全波束路徑示意圖

2.2 探地雷達掃描技術原理與方法

(1)檢測原理

混凝土襯砌與隧洞初級支護及圍巖之間存在脫空時，與兩者結合密實時表現出明顯不同的物性差異。脫空形成的混凝土-空氣界面與其他混凝土襯砌結合密實部位存在較大的電性差異，這為采用電磁波法探測提供了良好的地球物理條件。當采用探地雷達發送調頻脈沖電磁波，電磁波以寬頻帶、短脈沖形式定向射入探測面板區域內部，經存在電性差異的混凝土-空氣界面反射回波被探地雷達接收，通過記錄分析反射波到達時間t、反射波幅值等參數來研究被探測介質的分布和特性。

(2)技術方法

探地雷達測量方式一般分為剖面法和寬角法兩種。剖面法是發射天線T和接收天線R以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式，得到結果是時間剖面圖，由于天線間距一般很小，故可認為是自激自收時間剖面。寬角法是將發射天線固定在地面某點不動，而將接收天線沿測線移動，記錄目標體內各個不同界面反射波的雙程走時的測量方法，工作中一般采用剖面法進行連續或密集點采樣。一般地，地層的電磁波速度是已知的，或采用寬角法測量得到。因此，采用剖面方法記錄下電磁波旅行時t，即可求得目標層厚度或目標體埋深。

探地雷達成果圖像的解釋，是依據反射波的強度，波形變化及其反射波同相軸的連續性等特征來判斷混凝土與墊層結合處的情況。

3 工程應用

某水利工程是一座以城鄉供水和灌溉為主、兼顧發電綜合性大型水利樞紐工程，主要由水源工程、供水工程和灌區骨干輸水工程等組成。輸水渠道總長約800km，分為輸水干渠和支渠。本次隧洞襯砌質量檢測工作在輸水干渠進行，設計開挖半徑3m，襯砌混凝土設計厚度400mm，鋼筋保護層厚度50mm。

3.1 檢測工作布置

在隧洞拱頂沿水流方向布置3條測線，測線編號GD1、GL1、GR1，其中GD1位于頂拱中心線上，GL1和GR1位于中心線左右兩側，距離拱頂中心測線距離弧長各1.5m；同時在軸向測線樁號3m、6m、9m處分別布置拱頂橫斷面測線，測線編號H3、H6、H9，測線沿拱頂橫斷面圓弧長度4m，橫斷面測線中心位置與拱頂中心測線相交，左右弧長各2m，測線布置如圖3所示。超聲橫波反射成像采集點距20cm，工作頻率40～50kHz；探地雷達天線頻率400MHz和900MHz，發射率100kHz，探測方式為連續掃測。

圖3 測線剖面布置示意圖

3.2 檢測成果分析

3.2.1超聲橫波反射成像成果分析

表層鋼筋及第二層鋼筋反應明顯，鋼筋位置清晰；在埋深40～60cm范圍出現局部連續橫波強反射界面。查閱設計及施工資料，該段襯砌混凝土設計厚度40cm，排除排水板等干擾后，推斷該界面為二次襯砌混凝土上底界面，成果推斷如下：

(1)隧洞襯砌混凝土厚度范圍35～60cm。

(2)鋼筋保護層厚度變化范圍4～15cm，平均厚度9cm；鋼筋間距變化范圍16～21cm，平均間距20cm；鋼筋排距21～28cm，平均排距26cm。

圖4 北干渠2標段軸向測線檢測典型成果圖

圖5 北干渠4標段軸向測線檢測典型成果圖

(3)二次襯砌混凝土與初期支護結構之間存在脫空。

3.2.2探地雷達掃描成果分析

900MHz天線雷達成果圖中可見連續且規則雙曲線反射信號，曲率半徑較小，且第一層反射信號振幅較強，第二層相對較弱，可判斷為襯砌混凝土結構內部兩層鋼筋反應。兩層鋼筋后電磁波信號衰減嚴重，無有效探測信息。

400MHz天線雷達成果圖中基本能反應鋼筋位置，但顯示分辨率相對較差；同時在埋深45～60cm范圍見電磁波異常反射界面，推斷可能為二次襯砌混凝土上底界面與初期支護間存在脫空，或初期支護背后存在空洞。如圖4—5所示。

3.3 鉆孔驗證

為驗證檢測成果，選取北干渠兩個標段進行鉆孔驗證工作。其中在北干第2標段布置鉆孔4個；在北干第4標段布置鉆孔4個。鉆孔位置主要選取檢測成果中推斷無脫空、輕微脫空以及嚴重脫空三種部位，采用高清孔內攝像觀測孔內情況。結果表明8個鉆孔驗證情況均與檢測成果高度吻合，現選取三個典型鉆孔驗證成果如圖6—9所示，成果分析見表1。

圖6 鉆孔BZK4驗證成果圖

圖7 鉆孔BZK5驗證成果圖

表1 鉆孔驗證成果匯總表

圖8 鉆孔BZK6驗證超聲橫波反射成果圖

圖9 鉆孔BZK6驗證探地雷達成果圖

4 結論

結合隧洞襯砌結構特點，綜合采用陣列超聲橫波反射成像和探地雷達掃描等物探技術對引水隧洞混凝土襯砌質量進行無損檢測，取得了理想的檢測效果。通過鉆孔驗證進一步證明了技術的可靠性和準確性。通過上述應用研究得到幾點結論：

(1)超聲橫波反射成像探測，對混凝土襯砌內部結構及上底界面脫空反應清晰、靈敏度高，信息量大，成果分辨率及探測精度比探地雷達要高；同時可根據橫波反射信號強弱來判斷混凝土界面膠結程度，對指導后期灌漿加固處理具有重要意義。

(2)探地雷達用于隧洞襯砌探測過程中，采用900MHz天線，能清晰反應襯砌混凝土內部鋼筋結構，但由于鋼筋對電磁波吸收作用，穿透兩層鋼筋后電磁波能量損耗較大，鋼筋層后部結構信息不明；采用400MHz天線獲得深部信息更加豐富，因此，采用組合天線能更好滿足隧洞襯砌質量檢測需要。

(3)由于橫波遇連續波阻抗界面幾乎全反射，當襯砌與初支間存在脫空時，橫波無法穿透該結構，無法探測到脫空后初期支護及圍巖情況；而電磁波穿透性強，在電性差異界面僅部分能量反射，剩余電磁波可穿透該界面，到達界面以下結構，從而可探測初期支護后圍巖結構情況。因此將超聲橫波反射成像與探地雷達技術相結合，可以獲得更全面的隧洞襯砌質量信息。