超声波和雷达法在隧道衬砌裂缝检测中的应用

杨 光， 陈天骄， 李 盼2， 王云洋

(1.湖南文理学院 土木建筑工程学院， 湖南 常德 415000； 2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

隧道二衬混凝土裂缝形成的原因非常复杂，与不良工程地质条件、设计不当和施工不规范等有关，是围岩压力分布不均、支护结构薄弱或混凝土干燥收缩等单一或多种不利因素综合作用的结果。二衬混凝土结构产生裂缝后会降低结构的承载力，严重时会引起隧道衬砌防水结构撕裂或使二衬混凝土内部的钢结构材料产生锈蚀，对隧道的防水质量和使用年限产生不利影响。因此，确定衬砌结构裂缝的状态和背后是否存在病害缺陷，合理评价裂缝对结构的影响，对有效治理裂缝缺陷或病害都是非常重要的。

超声波检测方法具有穿透能力强，检测成本低廉等优点，可以探测混凝土结构裂缝深度及内部缺陷状态，在混凝土大坝、桥梁墩柱、隧道衬砌等大体积混凝土质量检测中得到了广泛的应用[1-3]。地质雷达法是一种快速无损探测技术方法，可以对混凝土结构内部及隐蔽结构背后的缺陷进行有效地探测[4-6]。在隧道工程中，地质雷达除了进行超前地质预报外，在对隧道混凝土衬砌厚度、衬砌内部及背后缺陷、钢筋数量及分布等质量检测与评估中也得到了广泛而有效的应用[7-8]。综合利用超声波法和地质雷达法的优点，检测隧道衬砌裂缝病害的现状，可为后续治理裂缝病害工作提供科学依据。

1 隧道衬砌裂缝缺陷检测原理

1.1 超声波法检测裂缝深度

超声波法检测裂缝深度主要原理是利用超声波穿越裂缝端点处的首波相位反转现象或传播时间差来确定裂缝的深度。超声波仪还可根据超声波的能量衰减特性、频率变化程度、相位变化等特征获得检测区域内的混凝土密度参数，从而判别混凝土内部缺陷的性质及大小。由于待测隧道衬砌裂缝部位只有一个可测表面，一般采用平测法测量裂缝的深度，平测法测量有不跨缝和跨缝2种测量方式[3,9]。超声波法跨缝检测裂缝示意图见图1。

图1 超声波法跨缝检测裂缝示意图

1.2 地质雷达法检测裂缝背后缺陷

混凝土结构裂缝宽度较小，但是裂缝的侧壁通常凹凸不平，裂缝间充满其它介质，裂缝底部上下介质也存在物性差异，这是地质雷达能够探测裂缝的重要依据[10]。当雷达电磁波依次跨越裂缝时，电磁波的波形就会在裂缝位置出现较大的相位变化和不连续反射波，若裂缝背后结构存在病害缺陷，也会表现出来。对接近竖向裂缝发育区，雷达反射波振幅明显减小或同相轴中断，垂向裂缝会在雷达剖面上形成绕射弧线，且裂缝宽度越大，形成的绕射弧信号越强[11]。地质雷达检测裂缝示意图如图2所示。

图2 地质雷达检测裂缝示意图

2 工程背景及现场检测

某高速公路隧道二衬出现了数条斜向裂缝，裂缝宽度超过了结构允许裂缝宽度。为了调查裂缝产生的原因，分析二衬裂缝的深度和裂缝对应的衬砌背后是否存在空洞等缺陷，采用超声法和地质雷达法对二衬混凝土裂缝深度和背后可能存在的缺陷进行了检测。

2.1 超声法检测

用裂缝观测仪测量裂缝的最大宽度，在宽度最大位置标记好测量位置并进行测量，再使用超声波仪测量裂缝深度，测量的位置尽可能避开钢筋，如图3所示。

图3 衬砌裂缝超声波检测现场照片及标注示意图

测量裂缝深度时要根据隧道二衬裂缝测量及其周边混凝土外观质量情况，调试好超声波仪，设置好检测参数并保持不变，并在换能器和混凝土测试表面部位涂抹耦合剂,使其始终保持良好的耦合接触状态。

2.2 地质雷达探测

由于不同频率地质雷达天线的测深能力不同，频率越高，探测深度越小，而探测的成果图像越清晰。选用频率为500 MHz雷达屏蔽天线，检测二衬厚度是否达到设计的二衬厚度，查找二衬背后是否存在空洞、不密实等缺陷。由于隧道衬砌裂缝宽度在0.2～3 mm之间，设置地质雷达天线使用时间触发方式，同时在拟途经的区域每隔10 cm标记1次位置，为了使地质雷达的某单道波形刚好能够穿越裂缝之间所在的区域，需要多次探测，并在天线中线经历裂缝部位时做好标记，以便确定裂缝和衬砌背后缺陷的实际分布情况。

结合工程实际情况，选择在隧道衬砌的裂缝附近沿裂缝发展方向布置雷达探测测线，如图4所示。

图4 雷达探测裂缝测线布置位置图

3 典型裂缝检测分析

3.1 裂缝深度检测分析

本文选取L5号(浅层)裂缝和L9号(深层)裂缝做对比分析。以L5号裂缝为例，AB线为非跨缝测线，BC、CD和DE线为跨缝测线。L5号裂缝的超声检测数据如表1所示。

通过表1中非跨缝测线AB的数据绘制超声波检测时-距坐标图，对超声波检测数据声时和测距2个变量进行线性回归分析，得到拟合的线性方程为：y=2.07x-25.4，可得超声波在L5号裂缝段混凝土衬砌中传播的速度是2.07 km/s，如图5所示。

表1 L5号裂缝超声检测数据表测距/mm声时t′/μsABBCCDDEl′1=50 46.2———l′2=10062.7 95.9 94.2 81.4l′3=15070.4———l′4=20086.9147.2128.8125.3l′5=250128.7———l′6=300146.3189.7172 167.1l′7=350172.7———

图5 非跨缝测线AB时-距图

将表1中跨缝测线BC、CD和DE线的声时、距离数值代入计算公式(1)，可以得到对应的裂缝深度值hci，然后剔除差异性大的数值，最后取满足要求的裂缝深度平均值作为该裂缝的深度值mbc[9]。

(1)

同理，可得L9号裂缝的检测参数值，如表2所示。

从表2中可以看出，衬砌上L5号裂缝的深度较浅，但各测线位置深度分布不均匀，裂缝的深度有随着发展延伸的方向依次递减的趋势；L9号裂缝的深度较深，深度分布较一致，疑似为贯穿性裂缝。

表2 裂缝跨缝检测参数mm裂缝编号测线编号裂缝宽度计算缝深hcil′2l′4l′6平均缝深mbcBC0.61101.7102.5109.9104.7L5号裂缝CD0.5274.771.272.272.7DE0.2156.364.258.759.7BC1.82413.5409.4412.7411.9 L9号裂缝CD1.55408.1406.9402.8405.9 DE1.47407.4404.6410.3407.4

由于裂缝部位选择不同以及超声波测厚法存在的局限性，会给裂缝深度检测带来误差，并随着结构的深度增加，检测误差会加大。在实际的检测中很难事先估计裂缝的深浅，因此对于厚度较厚的混凝土结构判断裂缝是否贯穿结构时，需要结合钻芯法或采用地质雷达法等其他方法进行综合判断。

3.2 裂缝背后缺陷检测分析

通过软件对雷达采集数据进行降噪、滤波后得到扫描探测区域的剖面图和裂缝标记位置的单道波形图。L5号裂缝处的雷达图像，如图6所示；L9号裂缝处的雷达图像，如图7所示。

从图6a可知，地质雷达探测图像成果可以清晰显示L5号裂缝所在二衬结构、背后型钢支撑结构分布及围岩情况。地质雷达图像扫描检测显示：L5号裂缝所在部位的初衬结构为型钢支护结构,二衬厚度约为500 mm，与设计的支护参数一致，该段衬砌结构与围岩贴合较好。

图6 L5号裂缝地质雷达图像

图7 L9号裂缝地质雷达图像

由于L5号裂缝宽度较小，雷达扫描位置的平均裂缝宽度约0.5 mm，雷达探测裂缝本身位置的缺陷情况较困难。当雷达天线经过该裂缝位置时，反射回的电磁波信号波动相对平稳，当扫描到裂缝右侧时,由于探测到了衬砌结构内预埋的管线，雷达反射信号增强，雷达波形图像出现了不连续现象，形成双曲线绕射弧,且双曲线形的离心率较大，如图6a所示。

从图7a可知，地质雷达探测图像可以清晰显示L9号裂缝所在二衬结构、背后钢格栅支撑结构分布及围岩情况。地质雷达图像扫描检测显示:L9号裂缝所在部位的初衬结构为钢格栅支护结构,二衬厚度约为400 mm，与设计的支护参数一致。

L9号裂缝底部对应的图像也显示，L9号裂缝本身及周边一定范围内的混凝土结构存在异常，这种异常现象延伸至裂缝所在整个二衬结构范围，这也验证了前一节所述超声波法探测的L9号裂缝疑似贯穿性裂缝这一事实。再次，在L9号裂缝对应钢结构支撑后背底部出现雷达电磁波波形杂乱、发散和相位错乱的区域，可以推断出该裂缝对应的衬砌背后的围岩在施工阶段出现超挖现象，初衬与围岩间回填不密实，可以推测该裂缝出现原因可能与围岩情况及初衬背后回填不密实有关。

由于L9号裂缝宽度较大，雷达测线附近平均宽度约1.55 mm，当雷达天线经过裂缝扫描时，电磁波信号在裂缝发育区出现明显的振幅和相位变化，由于裂缝在雷达波竖向传播方向上传播，在裂缝发育区单道雷达波振幅减小，相对于邻近雷达波形则同一深度的波形相位反向，在雷达位图上则表现为在裂缝尖端位置形成绕射小双曲线形信号，如图7a所示。相比于L5号裂缝探测的双曲线绕射弧的管道图像，L9号裂缝图像表现为裂缝顶端、底端的小双曲线形波组，并且对应于顶端的双曲线形的离心率要小于底端的双曲线形的离心率，裂缝开口呈现上窄下宽的分布形态，可以推测垂直方向裂缝会在雷达剖面上形成绕射弧反射信号，且裂缝宽度越大，形成的绕射弧信号越强，绕射弧形态的双曲线离心率也就越大。

4 结论

1) 超声波法和雷达法可以对比验证结构裂缝内外的缺陷分布范围和形态。

2) 用雷达法探测混凝土裂缝受裂缝宽度大小的限制，随着裂缝的变宽雷达绕射弧信号越强，在雷达图像上的双曲线形的离心率也就越大。

3) 通过检测混凝土内部缺陷问题,可以推测混凝土裂缝的发展状态趋势，为判断混凝土结构裂缝产生的原因提供依据，为其它隧道裂缝病害检测和分析提供参考。