無損檢測技術在隧道工程測量施工中的應用

劉耀龍

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

隧道結構耐久性是隧道施工技術情況的直接反映，但隧道工程工序相當繁雜，很多不確定因素都會對隧道結構耐久性造成影響，要使隧道工程質量得到保障，在工程施工結束后還應通過相應技術對隧道結構強度、外觀與裂縫狀況給予檢測[1]，若被測項目符合檢測標準才預示著隧道工程施工質量達標，若其中一個測量項目與標準不相符，則應重新施工或制定補救措施來給予處理[2]。傳統的質量檢測方法即對隧道斷面給予抽樣，通過測點選擇，以鉆孔或開槽法了解襯砌回填狀況、襯砌厚度等，獲得混凝土試件開展強度試驗，以綜合評估隧道結構。該方法的弊端較明顯，具體表現為：①鉆孔或開槽環節會耗費相當長的時間，工作效率不高[3]，并且會危害隧道結構本身；②對于一些隱蔽的缺陷無法及時發現，因此就不能全方位掌控隧道情況。鐵道部等相關機構在國外技術的參考下展開了大量科研試驗，探究出了滿足我國隧道工程施工質量檢測的無損檢測法。

現在無損檢測技術在我國隧道工程施工中的應用已非常成熟，同時在TB 10233—2004《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》中也進一步明確了鐵路隧道無損檢測方法與內容，為該技術的應用指出了方向。為了進一步認識該技術，下面對其在隧道工程測量施工中的應用展開論述。

1 隧道與無損檢測技術

1.1 隧道結構

隧道結構的隱蔽性相當強，通常修建在具備一定深度的地下，結構得到巖土體的充分包圍，導致設計理念、結構特征、施工方法和其他工程結構存在明顯區別。

1.2 無損檢測技術

無損檢測技術是非破壞性檢測，即確保待測物質原來狀態、性質等不受破壞的情況下，為得到和待測物品質相關的性質、內容或成分等化學、物理情報而使用的檢測方法。近兩年，因人們對無損檢測技術應用的日漸深入，該技術在武器制造、鍋爐與壓力容器、機械工業、海關檢查、造船、航空航天、隧道工程與高速火車等領域均得到了廣泛應用，尤其是在隧道工程中的應用更是備受關注。

無損檢測技術的功能：①及時找出構件表層或內部不足，且對不足展開定量或定性分析；②測量機械強度、材料物理性能、組織結構等；③測定構件幾何尺寸、表層腐蝕情況、涂層或鍍層厚度等；④測定現場動態情況，為檢測者提供存在問題之處的變化信息，達到對這些不足的實時監控。

2 無損檢測技術在隧道工程中的應用

無損檢測技術依照檢測是否會為構件、結構等帶來破壞，被細分為非破損檢測法與半破損檢測法，前者涵蓋了超聲法、回彈法、磁測法、超聲—回彈綜合法、電測法等，后者涵蓋拔出法、鉆芯法等多種。在隧道工程測量施工中得到大力應用的無損檢測技術有地質雷達法、超聲法、回彈法等。

2.1 回彈法

回彈法即經回彈儀對混凝土構件強度進行檢測的方法（圖1），其原理為：借助彈簧驅動的重錘，經彈擊桿對混凝土表層進行彈擊，測量重錘受反彈后的距離，將回彈值視作強度相關指標推測混凝土強度，為表面硬度法的一種[4]。該法的不足即檢測精度有所欠缺，會受到儀器性能、操作方法、氣候條件等的影響，不過因設備操作便利、可快速測出結果等優點，在我國道路交通施工中得到了大力推廣應用。

圖1 回彈儀

經超聲回彈綜合法對隧道襯砌強度進行測量，先通過回彈儀對混凝土表層硬度給予測量，也就是回彈值R，再經超聲儀對超聲波在混凝土構件里的傳播時間t 給予測量[5]，計算出超聲波在混凝土里的聲速值v，依照回彈值R 與聲速值v，借助地區專用曲線測量或全國統一曲線測量公式進行混凝土強度值換算，并根據混凝土力學試驗辦法規定進行強度推測。

2.2 地質雷達法

地質雷達即依靠高頻脈沖電磁波對混凝土與下覆介質形態或結合形狀改變情況進行探測，經計算機對形成的回波能量、相位與波形改變等給予分析并成像，從而掌握結構相關特性。該法的原理即電磁波技術應用，主要在電磁理論基礎上演變而來。

2.2.1 電磁波在介質里的傳播速度：

式中 c——真空里電磁波傳播速度，km/s

εr——介質的相對介電常數

介質介電常數會對介質里傳播速度造成直接影響，同時處于不同介質的電磁波傳播速度存在差異。

2.2.2 電磁波反射

電磁波處于不同介質表層伴有反射與折射現象，反射系數計算公式即：

式中 R——反射系數

ε1、ε2——界面兩側相對介電常數

地質雷達經電磁波反射進行反射信號收集，通過數據處理后對結構缺陷進行判定。得知界面兩側相對介電常數與反射系數呈正相關，前者越大，系數越大，則會出現更強烈的反射現象。

2.2.3 地質雷達在隧道襯砌檢測中的原理分析

（1）地質雷達對襯砌厚度進行檢測。發射天線T 發射電磁波，由天線R 接收反射結果，并經地質雷達反射圖像明確反射層，測量反射波雙程走時t，獲得襯砌厚度（圖2）。計算公式為：

圖2 地質雷達收、發原理

式中 z——襯砌厚度，m

t——反射波雙程走時，s

v——介質里電磁波的傳播速度，m/s

x——收、發天線間距離，m

（2）地質雷達對隧道襯砌結構進行檢測。軸向檢測：主要是順隧道軸向進行5 條測線（包括右拱腰、拱頂、左邊墻、左拱腰、右邊墻）布置。若只進行3 條線檢測時，務必要加強拱部的檢測[6]。橫向檢測：順隧道間隔相應距離進行一條剖面線布置，對該線進行檢測；檢測期間應確保發射與接收天線以及隧道襯砌表層緊貼。現場采集的數據經降噪、濾波、均衡等一系列處理后，能夠得到可將隧道情況直觀呈現的圖紙或數據信息。地質雷達法因探測精度相當高，同時可持續掃描得到隧道探測準確結果，故而在隧道施工測量中同樣得到了大力應用。

2.3 錨桿質量無損檢測

錨桿屬于無損檢測法中的新型檢測方法之一，在隧道工程施工檢測中的應用也非常受關注。錨桿無損檢測主要由應力波理論與彈性波反射而得，即對錨桿外露頂端加速度或速度響應曲線進行測量，根據波動理論來對錨桿長度與關注砂漿飽滿性進行評估，并根據砂漿錨桿飽滿度對反射波相對能量比值給予判定。錨桿檢測儀包括分析處理軟件、發射震源、檢波器與采集儀等（圖3）。

圖3 錨桿檢測儀

2.4 紅外線高溫照相技術

紅外線高溫照相技術在隧道工程測量施工中的應用主要是進行隧道墻體輻射熱的測量，經紅外線記錄系統顯示出墻體表層溫度，表層溫度實質即流動于墻體表層的熱量[7]，故而墻體表層溫度異常可直接呈現出結構異常。

在隧道工程測量施工檢測中，紅外線掃描器或照相機在移動車廂安裝后，對襯砌與圍巖間水處于差異化溫度下流動、襯砌后地質條件改變、空洞、襯砌缺陷進行測量，實用性強。因該法的使用需在顯著溫度梯度下完成[8]，故而冬季溫差大的情況下使用最佳。另外，該技術使用期間隧道表層應清除所有覆蓋物或設施設備，不然會影響整個熱流滲透，故而在病害問題的檢測過程中，流水量會因時間改變而發生變化，進而影響最終測量結果。

2.5 GPS 橋梁三維位移檢測技術

GPS 橋梁三維位移監測技術即經導航衛星附帶的實時站點三維坐標來完成路橋工程的檢測，主要是在橋梁進行監測點安置，再在管理中心進行GPS 基準站建設，和計算機系統彼此結合保證檢測工作順利進行。該技術的檢測過程主要根據衛星信號各監測站具體狀況，經GPS 基準站發送計算出的差分數據，各監測站結合差分數據對坐標數據進行計算，控制中心計算機系統接收坐標數據后，依靠計算機完成后階段計算與分析。

3 結束語

隧道工程作為道路交通的組成部分之一，無損檢測技術在隧道工程施工測量中的應用有利于工程質量的提升，增強工程建設效率，在促進道路交通事業發展中有積極意義。堅持對無損檢測技術進行深入探索，使我國道路交通事業發展更上一層樓。