公路隧道無損檢測技術與病害處理方法分析

摘要 無損檢測技術可以幫助工作人員及時發現公路隧道內的裂縫、脫空等病害，從而采取相應的維修措施，避免發生潛在的交通事故，保障公路隧道的安全運營。基于上述需求，文章分析了公路隧道無損檢測技術與病害處理的方法。通過應用探地雷達測量技術，實施測線布置、電磁波接收、圖像分析處理等步驟，獲取公路隧道襯砌的厚度信息，為病害處理提供了依據。根據探測結果，分析了公路隧道中出現的不密實、沉降和結構層脫空等病害，并針對上述病害提出了相應的處理方法。通過分析并實施探地雷達測量技術在公路隧道無損檢測中的應用，以期及時處理隧道病害可以延長隧道的使用壽命，減少因病害導致的提前退役風險。

關鍵詞 公路隧道；無損檢測技術；病害處理；結構安全；公路維護

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0079-03

0 引言

隨著高速公路網的不斷發展和完善，公路隧道在交通建設中的作用日益凸顯。作為連接城市的重要通道，公路隧道的建設和維護對于緩解城市交通壓力、提高道路通行效率具有舉足輕重的影響。然而，在隧道運營過程中，由于地質、環境、荷載等多種因素的影響，公路隧道襯砌可能會出現裂縫、脫空等病害，這些病害若不及時發現和處理，將嚴重影響隧道的安全性和使用壽命[1]。因此，研究公路隧道無損檢測技術與病害處理方法，對于保障隧道的安全運營、降低維護成本、延長使用壽命具有重要的現實意義[2]。該文圍繞公路隧道無損檢測技術與病害處理方法展開分析，探討如何應用探地雷達測量技術來獲取隧道襯砌的厚度信息，為病害處理提供依據，并針對探測結果提出相應的處理方法，以期為我國公路隧道的安全運營和維護提供有益的參考。

1 工程概況

平涼（華亭）至天水高速公路是G8513平涼至綿陽國家高速公路聯絡線的重要組成部分，也是甘肅省高速公路網規劃平涼至武都高速公路的重要組成路段，在區域路網結構中具有重要作用。該公路天水2#隧道全長約4.5 km，雙向4車道，設計行車速度為80 km/h。該公路隧道克服了軟土層、砂層和巖層等多種地質難題。在施工過程中，工程團隊成功地解決了地下水滲漏問題，確保隧道的穩定性和安全性。另外，該隧道內設完善的通風、照明和排水系統，以提供舒適和安全的行車環境。然而，由于隧道穿越了軟土層、砂層和巖層等多種地質層，地下水的壓力變化導致發生了水漬滲漏的現象。另外，由于長期的車輛荷載和地質變化，部分區域的隧道襯砌出現了微小的裂縫。盡管裂縫尚未對隧道的整體穩定性造成嚴重影響，但仍需要定期進行監測和維修，以確保隧道的長期安全運營。

2 探地雷達測量

2.1 測線布置

合理的測線布置能夠有效提高公路隧道檢測的準確性和效率。探地雷達測線的布置如圖1所示。

布置測線時，需全面覆蓋隧道襯砌的各個區域，確保沒有發生遺漏[3]。同時，測線均勻分布在隧道襯砌的各個部位，以保證測量結果的均勻性及可靠性[4]。測線的布置采用螺旋狀方式，以確保檢測的全面性和系統性。為提高檢測的精度，減少檢測數據的冗余和誤差，測線之間的間隔為6 m，通過探地雷達的測量，可以準確獲取隧道襯砌的厚度信息，為病害的處理提供科學依據。

2.2 電磁波接收

在探地雷達測量過程中，電磁波的發射和接收是基本環節，電磁波的接收對于獲取有關地下信息至關重要。探地雷達通過天線接收地面反射回來的電磁波信號[5]。接收到的信號通常很微弱，需要通過放大器進行信號放大。放大后的信號包含各種頻率成分，需通過解調器進行解調，提取出有用的信號成分。提取信號后，需應用信號處理器進行處理，消除噪聲和干擾，提取出目標信號的特性[6]。最后，將處理后的信號進行記錄，并對上述數據進行分析處理，即可得到地下的孔洞、裂縫、層位等結構信息。如果探地雷達發射的是脈沖信號，可以通過測量從發射脈沖到接收脈沖的時間間隔（即回波時間）來確定目標距離，時域分析公式見式（1）。

式中，d——目標到雷達的距離；v——電磁波在介質中的傳播速度；t——回波時間。如果探地雷達使用的是連續波信號，可以通過分析接收信號的頻率變化來確定目標距離。基于多普勒效應，目標移動時會導致接收頻率的變化。頻域分析公式見式（2）。

式中，Δf——頻率變化量；v——目標的速度；f0——發射信號的頻率；t——信號往返時間。通過頻域分析，可以將信號分解為不同頻率的正弦波和余弦波的組合，分析信號的組成和結構。

2.3 圖像分析處理

從接收到的電磁波信號中提取有用的信息，即可生成地下圖像[7]。在圖像分析處理過程中，為提高信號質量，減少噪聲和干擾，首先需進行信號預處理工作，實現信號預處理公式見式（3）。

式中，y（t）——預處理后的信號；x（t）——原始信號；A——放大倍數；ω——角頻率；——相位角。如果探地雷達使用的是調制信號，則需要通過解調提取原始信號。解調過程包括調制信號的檢測和原始信號的恢復，見式（4）。

式中，y（t）——解調后的信號；x（t）——調制信號；ω——調制頻率。將時域信號轉換為頻域信號，以分析信號的頻率成分，見式（5）。

式中，Y（ f ）——信號的頻域表示；x（t）——時域信號；f——頻率。通過分析信號的幅度頻譜和相位頻譜，可了解信號的頻率特性，見式（6）。

式中，Y（ f ）——信號的幅度頻譜；Y（ f ）*——信號的復共軛。使用接收的信號和探地雷達系統的參數，采用反投影算法，即可重建地下的圖像，見式（7）。

式，I′（x，y）——增強后的圖像；a——增強系數；Δx、Δy——圖像的像素尺寸；θ——信號的入射角。從圖像中提取有用的邊緣、紋理、異常等特征，并進行解釋，可識別出地下的結構和異常，見式（8）。

式中，F（x，y）——提取的特征；wi——權重；Δxi、Δyi是圖像的像素尺寸。通過提取主要特征，可以減少數據集的維度，簡化模型訓練和預測的計算復雜度，同時，避免在原始高維數據中可能出現的過擬合問題。

3 結果輸出及病害處理

3.1 檢測結果

檢測區域設置兩條測線，兩條測線探測情況如表1所示。

表1詳細記錄了測線一及測線二在探測活動中的測線分布、測點位置、探測結果，以及病害位置、深度。所有測點的探測結果均顯示為“信號正常”，表明在上述位置中，沒有發生預期的異常信號。發現的公路隧道病害主要包括“不密實”“沉降”以及“結構層脫空”，上述病害描述了土壤或結構層的狀態，對后期的工程維護和修復工作具有指導意義。

3.2 病害處理

3.2.1 不密實處理

不密實是指土壤或填筑材料中的孔隙率較大，導致整體結構不夠緊密，直接影響公路隧道的基礎承載能力和穩定性。在處理公路隧道不密實問題期間，需實施以下步驟：

（1）挖除和替換。移除不密實的土壤或填筑材料，然后用更加密實的材料進行填充，確保新填充的材料達到設計要求的密實度。

（2）使用壓實機械對不密實區域進行壓實，以提高其密實度。

（3）注漿。通過采用注漿技術，將水泥漿或其他加固材料注入不密實層中，以增強其整體性和穩定性。

（4）加固。使用化學注漿、凍結法、預壓法等加固技術，對不密實區域進行加固處理，以提高其承載能力和穩定性。

（5）排水。不密實大多是由于水分過多導致的，需要采取措施進行排水，然后再次進行壓實或加固處理。

3.2.2 沉降處理

沉降是指地表或結構層在荷載作用下產生的下沉變形。在公路隧道中，沉降可能會導致隧道結構的不穩定，影響交通安全。針對公路隧道沉降問題，需實施以下步驟進行處理：

（1）監測。對沉降區域進行監測，收集沉降數據，分析沉降趨勢和原因。

（2）預壓。在隧道施工前或施工過程中，對地基進行預壓處理，以減小后期沉降。

（3）加固。使用注漿、凍結、預應力等加固技術，對地基或隧道結構進行加固處理，提高其承載能力和穩定性。

（4）排水。如果沉降是由于水分過多導致的，需要采取措施進行排水，然后進行加固處理。

（5）修復。對于已經發生的沉降，可以根據具體情況采取恰當的修復措施，如局部切割、更換受損構件、填充空隙等。

（6）支撐。在必要時，對隧道結構進行臨時或永久性支撐，以防止進一步沉降。

（7）減載。通過減少隧道上方的荷載，如移除部分土體或調整隧道內部荷載分布，來減輕沉降。

（8）維護。通過定期對隧道進行檢查和維護，及時發現并處理潛在的沉降問題。

3.2.3 結構層脫空處理

結構層脫空是指隧道襯砌或結構層與地基之間的分離。可能是由于施工不當、地基沉降、材料老化等原因造成的結構層脫空，脫空現象會導致結構層失去支撐，影響隧道的整體穩定性。針對結構層脫空問題，需實施以下步驟進行處理：

（1）檢測與評估。使用無損檢測技術（如超聲波、雷達、紅外熱像等）對脫空區域進行檢測和評估，確定脫空的范圍、深度和嚴重程度。

（2）注漿加固。對于較小的脫空區域，可以采用注漿加固的方法填充脫空部分，恢復結構層的連續性和穩定性。

（3）局部修復。對于局部脫空，可以采用切割、清理、重新澆筑等方法進行局部修復。

（4）整體更換。對于大面積的脫空，可能需要移除受損的襯砌或結構層，然后重新施工，確保結構的整體性。

（5）預應力加固。在修復過程中，可以采用預應力技術對結構層進行加固，提高其承載能力和抗裂性能。

（6）排水與防水。在處理脫空的同時，需要考慮排水和防水措施，以防止水分再次浸入，導致新的脫空問題。

（7）監控與維護。修復后，需要對隧道進行長期的監控和維護，定期檢查，及時發現并處理新的脫空問題。

4 結語

公路隧道無損檢測技術與病害處理方法的研究對于保障隧道的安全運營、降低維護成本、延長使用壽命具有重要意義。通過應用探地雷達測量技術，道路檢修人員可以快速、準確地獲取隧道襯砌的厚度信息，為病害處理提供科學依據。針對探測結果，道路檢修人員可以采取相應的處理方法，以確保隧道的安全性和穩定性。此外，定期進行無損檢測和監測，有助于道路檢修人員及時發現并處理潛在的病害，避免發生交通事故，保障公路隧道的長期安全運營。

參考文獻

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