探討隧道工程質量檢測中無損檢測技術的運用

收稿日期：2024-01-22

作者簡介：徐超（1989—），男，碩士研究生，工程師，從事公路工程質量安全監督管理工作。

摘要 近年來，隨著交通運輸行業的高速發展，我國的公路隧道工程建設愈加完善，有效推動了區域經濟文化的交流與發展。為有效提高隧道施工質量，保證結構使用安全，加強隧道質量檢測具有重要意義。基于此，文章首先對隧道工程質量檢測中無損檢測技術進行研究。然后結合某公路隧道工程運營現狀，針對地質雷達無損檢測技術工作原理及工作中存在問題進行分析。最后提出了科學有效的解決措施；通過該技術的實際應用，及時發現并解決了隧道工程存在的質量問題，保證隧道安全、穩定運營。

關鍵詞 公路隧道項目；隧道質量檢測；無損檢測

中圖分類號 U455.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0159-03

0 引言

無損檢測是在不損壞結構完整性的條件下，對結構實施的質量檢測，是隧道工程施工及竣工驗收的必備環節，對提升隧道建設質量，保證隧道運營安全具有重要作用[1]。該文結合實際工程案例，對隧道工程無損檢測技術的應用展開綜合探究，分析了存在問題，總結了針對性解決措施，以期能有效提升隧道工程建設質量，保證結構使用安全。

1 工程概況

某公路工程項目共有3座隧道（即1#～3#隧道），設計總長度3 900 m，隧道內車行道寬7 m，采用雙向二車道布置，隧道寬度為10.7 m，凈空高度7 m，限高5 m。隧道自交付使用至今，洞內產生大量裂縫，并出現不同程度的滲漏，維修加固效果不理想，滲漏問題越發嚴重。為全面了解隧道結構特征，確定質量病害形成原因，該工程引入地質雷達無損檢測技術，現對地質雷達無損檢測設備，基于地質雷達的隧道質量檢測常見問題及解決措施、操作步驟及該檢測結論進行分析，旨在為同行提供借鑒。

2 地質雷達無損檢測設備及要求

地質雷達組成：①主機系統。②天線系統。其中，主機系統包含數據儲存、控制單元及顯示系統，天線主要包括發射天線和接收天線。其主要是根據電磁波在檢測對象內部傳播情況判定結構均勻性及完整性，是現階段較為常用的無損檢測技術。實際檢測時，利用信號發射裝置釋放電磁波，并借助發射天線將信號引入混凝土結構內部，同時利用接收天線對信號實施科學處理，檢測過程中兼顧電磁波傳輸途中因自身性能變化或被測物體尺寸變化導致的相位變化、回波變動等問題，從而利用計算機系統收集和處理反射波，并結合反射頻率、傳輸時間及回波情況綜合確定地下構造，獲取科學有效的質量檢測數據，為后續工作的開展提供依據[2-3]。

地質雷達主機性能要求：①系統增益應高于150 dB。②信噪比應高于60 dB。③采樣間距應小于0.5 ns，且A/D系統轉換應高于16位。④計時偏差不得超過1 ns。⑤具備點測及連續檢測等雙重性能，且連續檢測時速度不低于64次/s。⑥具備可選擇性信號累積、實時濾波、時窗、增益、點測和連續檢測記錄功能。⑦具備現場數據處理、檢測及顯示功能[4]。

地質雷達技術指標要求：①檢測目標厚度不得低于天線波長的25%。②檢測目標寬度及兩相鄰檢測目標間距不得小于第一菲涅爾帶半徑。③檢測線路應平整、暢通，確保天線平穩運動。④不得靠近電磁信號屏蔽層。⑤天線裝置必須具備良好的屏蔽效果，并且其檢測范圍應達到2.0 m以上[5]。

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

現階段，地質雷達在隧道工程檢測中得到了廣泛應用，但由于自身性能、外部環境等各方面因素影響，導致實際檢測工作中存在諸多問題，嚴重影響檢測精度和效率。主要問題如下：

3.1 原理方面

由于地質雷達檢測以電磁波為核心，因此最關鍵的環節在于合理確定介電常數，以保證檢測工作的順利開展，提高后期數據處理效率。隧道工程介質主要有空氣、水、混凝土、黏土、凝灰巖等，其基本性能指標如下：

（1）空氣：導電率0 sm，電容率1.0 F/m，傳播速度0.4 m/ns，衰耗常數0 dB·m?1。

（2）水：導電率為1.0×10?3～3.1×10?2 sm，電容率81.2 F/m，傳播速度0.034 m/ns，衰耗常數0.2 dB·m?1。

（3）混凝土：導電率為1.0×10?7 sm，電容率

6.5 F/m，傳播速度0.13 m/ns，衰耗常數0.04～1.0 dB·m?1。

（4）粘性土：導電率為0.1～1.0 sm，電容率8.0～

10.0 F/m，傳播速度0.05 m/ns，衰耗常數1.0～100.0 dB·m?1。

（5）花崗巖：導電率為4.0×10?6 sm，電容率

6.0 F/m，傳播速度0.13 m/ns，衰耗常數0.4.0～1.0 dB·m?1。

電磁波對鋼鐵材料極為敏感，會在一定程度上影響其傳播速率，而隧道結構內存在較多鋼鐵材料，比如鋼筋、型鋼拱架等，勢必會影響檢測結果準確性。

電磁波傳輸時極易受鐵質介質影響，而隧道內部分布大量鐵質介質，如電纜、鋼筋、管材等，勢必會在一定程度上影響檢測結果準確性。

3.2 操作方面

初期支護檢測過程中，存在如下問題：

（1）由于初期支護平整度較差，造成里程信息誤差較大，從而導致檢測結果評價偏差較大。

（2）天線系統操控人員專業技術水平低下，未嚴格按照技術規程操作，造成檢測結果存在較大誤差。

（3）實際檢測時，由于技術參數設置不合理導致信息采集偏差較大，影響結果判定。

（4）檢測人員專業水平存在較大差異，對相同檢測信息作出不同評價。

結合實際檢測工作中存在的問題，根據以往檢測經驗，提出了針對性解決方案，具體如下：

（1）隧道工程不同施工部位、施工環節，初期支護存在多種介電常數，鑒于此，在采用地質雷達進行檢測時，對于同一隧道，需采用多種介電常數實施檢測。針對各施工部位，應分別實施標定，以有效降低檢測偏差[6]。

（2）采用地質雷達監測時，應實時監測周圍環境變化，并詳細記錄環境變化情況，以確保后續信息處理的準確性、高效性。具體檢測時，應準確全面統計現場所有可能對檢測結果造成影響的因素，如照明設施、車輛、機械及人員等，詳細標明各影響因素的具體位置及距測線的距離。

（3）實際檢測時，若檢測體表面平整度較差，禁止采用系統測距，應利用時間觸發來采集信息，以5 m間距為標準進行手動標記，檢測過程中應始終確保天線勻速移動。

（4）強化檢測人員專業技能培訓，并安排專人負責天線操控，嚴格按照規范要求進行檢測，若現場操控人員無法勝任該工作，應及時換人，防止因人為因素造成檢測結果不合格[7]。

（5）通過模擬試驗的方式進行循環操作，以驗證結果的準確性，并按照模擬數值對測量數據進行調整。同時，工程實踐中，應根據天線系統組合形式，并結合測量對象實際情況科學設定檢測指標。

（6）借助缺陷預測模型將所有問題標注于圖集內，編制標準化圖集，為后續隧道工程質量檢測提供理論依據。

4 基于地質雷達的隧道質量檢測步驟

4.1 現場采集準備

地質雷達檢測是一項綜合性工作，為確保檢測結果準確性，需預先做好前期準備工作，具體包括：

（1）充分掌握檢測對象屬性。

（2）合理布置測線，詳細記錄現場環境狀況，并選擇合適的天線。

（3）根據檢測要求合理設定采集系統相關技術指標。

（4）科學標定介電常數[8]。

（5）待上述工作完成后，正式實施檢測。

4.2 測線布置

隧道質量檢測時，應嚴格按照縱向為主，橫向為輔的原則進行測線布設。

（1）采用縱向布線的主要部位包括拱頂、拱腰及邊墻等，橫向布線的部位、間距應結合實際檢測項目及相關規定綜合確定，通常狀況下，布設間距以8～12 m為宜，使用點測法檢測時，各斷面測點設置個數不得少于6個。此外，實際檢測時若出現異常情況，應對測線、測點實施適當加密。

（2）竣工檢測時，主要采用縱向布線，特殊情況下可增設水平測線。其中縱向側線布設位置包括拱頂、拱腰、邊墻，布線間距以8～12 m為宜，使用點測法檢測時，每個斷面測點數量不得少于5個。當對空洞位置進行檢測時，應對測線、測點實施合理加密。

（3）三車道隧道質量檢測時，需根據相關技術標準要求在拱頂位置增設兩條測線，每間隔5～10 m作出里程標記。

4.3 介質參數標定

采用地質雷達對隧道實施質量檢測前，需現場測定襯砌結構電容率，測點數量不得少于3點，并以均值為實際電容率。當隧道長大于3.0 m時，應結合具體狀況，適當增加測點數量。具體標定方式如下：①在厚度確定或材質與隧道一致的構件上進行標定。②在隧道口或內部車輛干擾較小的位置通過直達波法測定。③特殊狀況下，可采用鉆孔方法進行驗證。

4.4 參數求取條件

（1）標定目標厚度不得小于15 cm，且厚度確定。

（2）標定項目相關界面反射信號應準確。

4.5 標定結果計算

（1）導電系數表達式如式（1）：

ξr=（0.3t/2d）2 （1）

電磁波傳播速率計算式，如式（2）：

v=（2d/t）×109 （2）

式中，ξr——導電系數；t——電磁波傳播時間（s）；d——檢測對象厚度（mm）；v——電磁波傳播速率

（m/ns）。

（2）不同條件下電磁波傳播速度如表1所示。

4.6 測量時窗確定

檢測時窗長與采樣率依次由下式（3）、（4）求得：

（3）

S=2×Δt×f×k×10?3 （4）

式中，Δt——時窗長度（ns）；S——采樣率（%）；a——優化指數，其值為1.5～2.0；f——天線頻率（MHz）；k——系數，其值為6～10。

所有測量對象天線頻率、測量厚度及時窗存在顯著差異。具體情況如下：①初支厚度檢測：天線頻率、測量厚度、時窗取值區間分別為800.0～1 000.0 MHz、5.0～30.0 cm和1.5～9.0 ns。②初支背后填土層測量：天線頻率取值區間為400.0～900.0 MHz，測量厚度應控制在30.0 cm以上，時窗控制在9.0 ns以上。③二襯厚測量：天線頻率、測量厚度、時窗取值區間分別為400.0～

900.0 MHz、30.0～60.0 cm和9.0～18.0 ns。④初支及二襯整體檢測：天線頻率、測量厚度、時窗取值區間分別為300.0～500.0 MHz、35.0～90.0 cm和10.5～27.0 ns。⑤鋼筋、管線分布狀況測量：天線頻率、測量厚度、時窗取值區間分別為800.0～1 000.0 MHz、10.0～60.0 cm和3.0～

18.0 ns，通過高頻及中頻天線裝置能夠精準識別出鋼筋及管線分布位置，在進行具體測量時應嚴格控制時窗間距，確保位于2.0 cm以內。

4.7 探測深度確定

各種天線及組合方式適用的檢測深度可利用式（5）得出：

dmax<30/σ或dmax<30/β （5）

式中，dmax——最大探測深度（m）；σ——介質電導率（s/m）；β——介質吸收系數。

4.8 掃描點數確定

掃描點數可通過式（6）得出：

S=2×Δt×f×k×10?3 （6）

式中，S——掃描樣點數；Δt——時窗長度；f——天線中心頻率；k——系數，通常取6～10。

采用縱向布線時，應實施連續測量，實際掃描速率不得低于64道，針對較為特殊部位應采用點測法進行檢測，相鄰兩測點間距不得超過20 cm。

5 基于地質雷達的隧道質量檢測結果

地質雷達檢測結果表明，該隧道二次襯砌形成空洞的主要原因是施工方對設計圖紙了解不夠深入，未真正明白設計意圖。設計規定隧道施工應采用新奧法，而實際施工時未嚴格按照設計要求執行，造成施工質量達不到設計標準要求[10]。如光面爆破質量不達標，造成隧道超挖；未根據施工規范要求對隧道實施監測，在不了解洞體圍巖實際收斂狀況的情況下直接開始二次襯砌施工。此外，因混凝土封頂難度較大，二次襯砌施作時，由于泵送壓力不足、混凝土和易性較差，在重力作用影響下，造成拱頂位置混凝土密實度不合格，形成空洞問題。

6 結論

綜上所述，地質雷達無損檢測作為隧道工程施工與驗收的關鍵環節，對提高隧道施工質量，保證隧道運營安全具有重要作用。該文結合某公路隧道工程運營現狀，對無損檢測技術的應用展開綜合探究，分析了地質雷達無損檢測工作中存在問題，并提出了科學有效的解決措施。采用地質雷達對隧道二次襯砌質量進行檢測，發現二次襯砌拱頂后方存在大面積空洞，造成二次襯砌支護體系受力不均，使拱頂、拱腰部位形成受力薄弱環節，嚴重威脅隧道結構安全，應及時采取加固措施，確保二次襯砌結構穩定、可靠，保證隧道安全、穩定運營。

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