無損檢測技術在隧道工程質量檢測中的應用

梁 鑫

（山東恒建工程監理咨詢有限公司，山東 濰坊 261000）

隧道質量檢測是隧道施工與竣工驗收的重要環節，對隧道質量評價和安全狀態監控都有重要意義，為避免檢測給隧道結構造成的破壞及影響，時常采用無損檢測方法進行檢測，在不同的無損檢測技術中，又以地質雷達較為常用。

1 工程概況

某路段分布3座隧道（記作1#-3#隧道），其總長約3.9 km，洞內行車道的寬度為7 m，雙向雙車道，跨寬10.7 m，凈高7 m，限高5 m，2#隧道采用柱式洞門。該沿線隧道從正式投運到現在，產生很多裂縫和滲漏，雖然進行了維護整修，但滲漏情況越發嚴重。為正確且深入掌握隧道圍巖與其結構，確定導致病害發生的具體原因，并對隧道運行狀況進行科學評估，需引入無損檢測技術。本次主要采用的無損檢測技術為地質雷達。以下結合該隧道群實際情況，對其質量檢測過程中無損檢測技術具體應用進行分析。

2 無損檢測技術概述——以地質雷達為例

地質雷達主要由以下幾部分構成：其一，便攜式主機；其二，收發天線；其三，綜合控制電纜；其四，測量輪（選配）；其五，電瓶；六，數據采集與處理軟件。地質雷達的工作原理為：借助高頻脈沖電磁波對混凝土與其下伏介質實際分布狀態進行探測，是現階段常用的無損檢測技術之一，發射機產生的高頻電磁波經天線發射至目標混凝土中，同時由接收機對介質反射的電磁波進行接收，同時充分考慮電磁波傳播過程中由于介質自身電磁性發生變化或介質自身幾何形狀發生變化引起的相位變化、回波能量波動及波形改變，進而采用計算機與濾波程序采集、處理所有反射波，根據反射波的波形、運行時間與回波能量分布情況確定地下地質結構，提供準確可靠的質量檢測成果，為下一步工作的決策提供可靠參考。

地質雷達主機應滿足以下技術指標要求：①系統增益應達到150 dB以上；②信噪比達到60 dB以上；③采樣間隔不能超過0.5 ns，且A/D模數轉換要達到16位以上；④計時誤差不超過1 ns；⑤可實現點測及連續測量，同時在連續測量過程中掃描速率應達到64次/s以上；⑥具有可選的信號疊加、實時濾波、時窗、增益、點測與連續測量、手動與自動位置標記功能；⑦可在現場實現數據處理、動態檢測和顯示。

地質雷達應滿足以下各項要求：①探測體厚度應達到天線有效波長25%以上；②探測體寬度或兩個相鄰的探測體可分辨最小間隔距離應達到探測天線有效波第一聶菲爾帶半徑以上；③測線通過的表面應保持平緩，且沒有障礙存在，以免影響天線正常移動；④遠離高電導屏蔽層；⑤地質雷達天線支持多種天線組合形式，但要滿足以下要求：具備良好的屏蔽功能、探測深度需達到2 m以上、垂直方向分辨率需達到2 cm以上。

3 基于地質雷達的隧道質量檢測工作存在的問題與解決措施

目前，地質雷達已經在隧道檢測領域得到很多影響，但這不代表這項檢測技術在隧道檢測領域的實際應用不會受到影響，反而有很多因素會給檢測造成影響，導致檢測過程或結果出現不同問題，這些問題主要包含以下幾個方面：

（1）原理方面：因地質雷達檢測以電磁波為主要原理，所以確定適宜的介電常數是采用地質雷達進行檢測和后期數據處理過程的一個重要影響因素，和隧道有關的常見介質包括空氣、純水、混凝土、粘土和凝灰巖，其主要物性參數為：①空氣：電導率為0，相對介電常數為1，速度為0.3 m/ns，衰減系數為0；②純水：電導率在1.0×10-3~3.0×10-2sm范圍內，相對介電常數為81，速度為0.033 m/ns，衰減系數為0.1 dB·m-1；③混凝土：電導率為1.0×10-7sm，相對介電常數為6.4，速度為0.12 m/ns，衰減系數在0.03~1 dB·m-1范圍內；④粘土：電導率在0.1~1 sm范圍內，相對介電常數在8~10范圍內，速度為0.06 m/ns，衰減系數在1~100 dB·m-1范圍內；⑤凝灰巖：電導率為4.0×10-6sm，相對介電常數為6，速度為0.12 m/ns，衰減系數在0.4~1 dB·m-1范圍內。電磁波傳播過程中會受到鐵質媒介很大影響，而隧道中存在很多鐵質媒介，包括電纜、臺車、鋼筋和管件，所以這必然會對檢測造成影響。

（2）操作方面：①采用地質雷達對隧道初期支護進行檢測時，因初期支護表面未能達到平整，導致檢測過程中里程記錄存在誤差，進而導致檢測結果誤判；②天線操作人員未經過嚴格的培訓，無法進行規范操作，導致檢測結果產生明顯誤差；③現場檢測過程中，參數采集設置情況會對采集信號質量造成影響；④檢測人員自身水平良莠不齊，對完全一致的檢測結果會給出不同的判讀結果。

針對以上采用地質雷達進行檢測時存在的實際問題，充分考慮以往實踐經驗，可采取以下措施加以解決和改進：

①在不同段落及施工階段，隧道襯砌結構有不同介電常數，針對這一實際情況，即便同一座隧道，亦不可只采用一種介電常數來檢測，對在不同時期進行施工的段落，需分別做好現場標定，進而盡量減小誤差。②采用地質雷達開展現場檢測工作的過程中，要做好現場環境記錄，這是確保后期數據處理準確性的關鍵所在。在實際工作中，需對所有可能影響到檢測的干擾進行記錄，包括照明裝置、車輛、人員與設備，注明這些干擾因素的位置以及和測線之間的距離。③現場檢測過程中，若存在表面平整度較差的段落，不可借助系統進行自動測距，而是要通過時間觸發完成數據采集，按照5 m的間隔距離采用手動方式做好標記，期間應確保天線保持恒定勻速運行。④加強專業人員培訓，安排專人負責天線操作，也可由專門的技術人員來操作。當由技術人員負責操作時，所有操作人員必須經過嚴格的培訓，以確保操作可以達到規范，如果現場的操作人員已經無法適應檢測要求，應立即換人，以免人為因素給檢測過程及結果造成不利影響。⑤采用模型試驗的方法進行反復驗證，并根據驗證結果持續優化各項檢測參數。與此同時，在現場檢測過程中，還需針對不同目標及天線承載方式確定適宜的檢測參數。⑥采用預設缺陷模型使不同的缺陷都能在圖譜上得以直觀顯現，進而形成標準化圖譜，以此為現場檢測工作提供可靠指導。

4 基于地質雷達的隧道質量檢測步驟

4.1 現場采集準備

采用地質雷達開展現場檢測工作之前，應先做好下列各項準備工作：

①對待測目標的基本性質與特點進行估計。②做好測線布置，對現場環境進行記錄，并據此確定適宜的雷達天線。③按照作業要求設置采集設備各項參數。④對介電常數予以嚴格的現場標定。⑤做好上述各項準備工作后開始正式檢測作業。

4.2 測線布置

（1）隧道質量檢測方式主要為縱向布線，輔以必要的橫向布線。縱向布線具體位置為拱頂、拱腰、邊墻及底部，而橫向布線的位置和距離根據具體檢測內容及要求確定，沒有特殊要求時，測線線距均按8~12 m控制，當采用點測的方法時，單個斷面的測點數量需達到6個以上。另外，如果在檢測過程中發現異常地段，則需對測線或測點進行加密。

（2）在隧道竣工驗收過程中，同樣主要進行縱向布線，只有在必須的情況下才進行橫向布線。縱向布線具體位置包括拱頂、拱腰及邊墻，測線線距均按8~12 m控制，當采用點測的方法時，單個斷面的測點數量需達到5個以上。當需要通過檢測確定空洞范圍與規模大小時，需對測線與測點進行適當的加密。

（3）對于三線隧道，需在拱頂處增設兩條測線，并在測線上按照5~10 m的間隔距離設置歷程標記。

4.3 介質參數標定

檢測開始前需對襯砌結構介電常數進行現場標定，每座隧道都要進行，且實測數量達到3次以上，將平均值作為最終的介電常數。對于長度超過3 km或襯砌結構材料或實際含水率產生較大變化的隧道，需增加標定點的數量。具體的標定方法為：在厚度信息已知或材料和隧道已知的其他構件上進行測量；在隧道的洞口或內部不會受到來往車輛影響的部位采用直達波法進行測量；在必要的情況下可通過鉆孔實測加以驗證。

4.4 參數求取條件

（1）標定目標厚度需達到15 cm以上，同時厚度應已知。（2）標定記錄中所有界面反射信號都必須清晰和準確。

4.5 標定結果計算

（1）介質相對電導系數與電磁波速度可采用以下公式計算得出：

（2）參數采取如表1所示。

表1 不同圍巖條件下的電磁波波速

4.6 測量時窗確定

測量時窗長度與采樣率可采用以下公式計算得出：

不同檢測項目的天線頻率、待測厚度與時窗均不相同：①初支厚度檢測：天線頻率為800~1 000 MHz，待測厚度為5~30 cm，時窗為1.5~9 ns；②初支背后回填檢測：天線頻率為400~900 MHz，待測厚度大于30 cm，時窗大于9 ns；③二襯厚度檢測：天線頻率為400~900 MHz，待測厚度為30~60 cm，時窗為9~18 ns；④隔二襯檢測初支：天線頻率為300~500 MHz，待測厚度為35~90 cm，時窗為10.5~27 ns；⑤鋼架、鋼筋與預埋件分布與數量檢測：天線頻率為800~1 000 MHz，待測厚度為10~60 cm，時窗為3~18 ns，采用中、高頻率的天線能清晰反映出鋼架及鋼筋具體位置和分布情況，在數據采集過程中，時道間距應控制在2 cm以內。

4.7 探測深度確定

不同天線及其組合形式對應的探測深度可采用以下公式計算得出：

式（5）中，dmax表示天線最大探測深度，單位：m；σ表示介質電導率，單位：s/m；β表示介質吸收系數。

4.8 掃描點數確定

掃描點數可采用以下公式計算得出：

縱向布線需進行連續測量，實際掃描速度應達到64道（線）以上，對于特殊地段可進行點測，相鄰測量點之間的距離應控制在20 cm以內。

5 基于地質雷達的隧道質量檢測結果

根據地質雷達檢測結果，導致二襯產生空洞的原因為施工方未能正確理解設計意圖，設計要求采用新奧法進行施工，但現場卻未能按照這一方法進行，比如光面爆破效果較差，存在嚴重的超挖情況；未能按照要求實施觀測，在未能明確圍巖收斂情況的條件下直接進行二襯施工。除此之外，由于混凝土封頂較為困難，二襯施工時，因泵送壓力較低，加之混凝土自身流動性較差，受重力持續作用，導致拱頂處的混凝土未能達到飽滿，產生空洞。

6 結語

綜上所述，借助地質雷達對隧道二襯結構進行檢測，發現二襯病害為拱頂背后存在滲漏與空洞；通過進一步檢測發現，由于存在空洞，使二襯結構受力不均，同時拱頂彎矩產生很大變化，使拱頂與拱腰均成為受力薄弱位置；當拱頂背后存在較多空洞時應盡快進行處理，確保二襯結構處在可控狀態，保證隧道正常和安全運營。