无损检测技术在隧道工程质量检测中的应用

梁 鑫

（山东恒建工程监理咨询有限公司，山东 潍坊 261000）

隧道质量检测是隧道施工与竣工验收的重要环节，对隧道质量评价和安全状态监控都有重要意义，为避免检测给隧道结构造成的破坏及影响，时常采用无损检测方法进行检测，在不同的无损检测技术中，又以地质雷达较为常用。

1 工程概况

某路段分布3座隧道（记作1#-3#隧道），其总长约3.9 km，洞内行车道的宽度为7 m，双向双车道，跨宽10.7 m，净高7 m，限高5 m，2#隧道采用柱式洞门。该沿线隧道从正式投运到现在，产生很多裂缝和渗漏，虽然进行了维护整修，但渗漏情况越发严重。为正确且深入掌握隧道围岩与其结构，确定导致病害发生的具体原因，并对隧道运行状况进行科学评估，需引入无损检测技术。本次主要采用的无损检测技术为地质雷达。以下结合该隧道群实际情况，对其质量检测过程中无损检测技术具体应用进行分析。

2 无损检测技术概述——以地质雷达为例

地质雷达主要由以下几部分构成：其一，便携式主机；其二，收发天线；其三，综合控制电缆；其四，测量轮（选配）；其五，电瓶；六，数据采集与处理软件。地质雷达的工作原理为：借助高频脉冲电磁波对混凝土与其下伏介质实际分布状态进行探测，是现阶段常用的无损检测技术之一，发射机产生的高频电磁波经天线发射至目标混凝土中，同时由接收机对介质反射的电磁波进行接收，同时充分考虑电磁波传播过程中由于介质自身电磁性发生变化或介质自身几何形状发生变化引起的相位变化、回波能量波动及波形改变，进而采用计算机与滤波程序采集、处理所有反射波，根据反射波的波形、运行时间与回波能量分布情况确定地下地质结构，提供准确可靠的质量检测成果，为下一步工作的决策提供可靠参考。

地质雷达主机应满足以下技术指标要求：①系统增益应达到150 dB以上；②信噪比达到60 dB以上；③采样间隔不能超过0.5 ns，且A/D模数转换要达到16位以上；④计时误差不超过1 ns；⑤可实现点测及连续测量，同时在连续测量过程中扫描速率应达到64次/s以上；⑥具有可选的信号叠加、实时滤波、时窗、增益、点测与连续测量、手动与自动位置标记功能；⑦可在现场实现数据处理、动态检测和显示。

地质雷达应满足以下各项要求：①探测体厚度应达到天线有效波长25%以上；②探测体宽度或两个相邻的探测体可分辨最小间隔距离应达到探测天线有效波第一聂菲尔带半径以上；③测线通过的表面应保持平缓，且没有障碍存在，以免影响天线正常移动；④远离高电导屏蔽层；⑤地质雷达天线支持多种天线组合形式，但要满足以下要求：具备良好的屏蔽功能、探测深度需达到2 m以上、垂直方向分辨率需达到2 cm以上。

3 基于地质雷达的隧道质量检测工作存在的问题与解决措施

目前，地质雷达已经在隧道检测领域得到很多影响，但这不代表这项检测技术在隧道检测领域的实际应用不会受到影响，反而有很多因素会给检测造成影响，导致检测过程或结果出现不同问题，这些问题主要包含以下几个方面：

（1）原理方面：因地质雷达检测以电磁波为主要原理，所以确定适宜的介电常数是采用地质雷达进行检测和后期数据处理过程的一个重要影响因素，和隧道有关的常见介质包括空气、纯水、混凝土、粘土和凝灰岩，其主要物性参数为：①空气：电导率为0，相对介电常数为1，速度为0.3 m/ns，衰减系数为0；②纯水：电导率在1.0×10-3~3.0×10-2sm范围内，相对介电常数为81，速度为0.033 m/ns，衰减系数为0.1 dB·m-1；③混凝土：电导率为1.0×10-7sm，相对介电常数为6.4，速度为0.12 m/ns，衰减系数在0.03~1 dB·m-1范围内；④粘土：电导率在0.1~1 sm范围内，相对介电常数在8~10范围内，速度为0.06 m/ns，衰减系数在1~100 dB·m-1范围内；⑤凝灰岩：电导率为4.0×10-6sm，相对介电常数为6，速度为0.12 m/ns，衰减系数在0.4~1 dB·m-1范围内。电磁波传播过程中会受到铁质媒介很大影响，而隧道中存在很多铁质媒介，包括电缆、台车、钢筋和管件，所以这必然会对检测造成影响。

（2）操作方面：①采用地质雷达对隧道初期支护进行检测时，因初期支护表面未能达到平整，导致检测过程中里程记录存在误差，进而导致检测结果误判；②天线操作人员未经过严格的培训，无法进行规范操作，导致检测结果产生明显误差；③现场检测过程中，参数采集设置情况会对采集信号质量造成影响；④检测人员自身水平良莠不齐，对完全一致的检测结果会给出不同的判读结果。

针对以上采用地质雷达进行检测时存在的实际问题，充分考虑以往实践经验，可采取以下措施加以解决和改进：

①在不同段落及施工阶段，隧道衬砌结构有不同介电常数，针对这一实际情况，即便同一座隧道，亦不可只采用一种介电常数来检测，对在不同时期进行施工的段落，需分别做好现场标定，进而尽量减小误差。②采用地质雷达开展现场检测工作的过程中，要做好现场环境记录，这是确保后期数据处理准确性的关键所在。在实际工作中，需对所有可能影响到检测的干扰进行记录，包括照明装置、车辆、人员与设备，注明这些干扰因素的位置以及和测线之间的距离。③现场检测过程中，若存在表面平整度较差的段落，不可借助系统进行自动测距，而是要通过时间触发完成数据采集，按照5 m的间隔距离采用手动方式做好标记，期间应确保天线保持恒定匀速运行。④加强专业人员培训，安排专人负责天线操作，也可由专门的技术人员来操作。当由技术人员负责操作时，所有操作人员必须经过严格的培训，以确保操作可以达到规范，如果现场的操作人员已经无法适应检测要求，应立即换人，以免人为因素给检测过程及结果造成不利影响。⑤采用模型试验的方法进行反复验证，并根据验证结果持续优化各项检测参数。与此同时，在现场检测过程中，还需针对不同目标及天线承载方式确定适宜的检测参数。⑥采用预设缺陷模型使不同的缺陷都能在图谱上得以直观显现，进而形成标准化图谱，以此为现场检测工作提供可靠指导。

4 基于地质雷达的隧道质量检测步骤

4.1 现场采集准备

采用地质雷达开展现场检测工作之前，应先做好下列各项准备工作：

①对待测目标的基本性质与特点进行估计。②做好测线布置，对现场环境进行记录，并据此确定适宜的雷达天线。③按照作业要求设置采集设备各项参数。④对介电常数予以严格的现场标定。⑤做好上述各项准备工作后开始正式检测作业。

4.2 测线布置

（1）隧道质量检测方式主要为纵向布线，辅以必要的横向布线。纵向布线具体位置为拱顶、拱腰、边墙及底部，而横向布线的位置和距离根据具体检测内容及要求确定，没有特殊要求时，测线线距均按8~12 m控制，当采用点测的方法时，单个断面的测点数量需达到6个以上。另外，如果在检测过程中发现异常地段，则需对测线或测点进行加密。

（2）在隧道竣工验收过程中，同样主要进行纵向布线，只有在必须的情况下才进行横向布线。纵向布线具体位置包括拱顶、拱腰及边墙，测线线距均按8~12 m控制，当采用点测的方法时，单个断面的测点数量需达到5个以上。当需要通过检测确定空洞范围与规模大小时，需对测线与测点进行适当的加密。

（3）对于三线隧道，需在拱顶处增设两条测线，并在测线上按照5~10 m的间隔距离设置历程标记。

4.3 介质参数标定

检测开始前需对衬砌结构介电常数进行现场标定，每座隧道都要进行，且实测数量达到3次以上，将平均值作为最终的介电常数。对于长度超过3 km或衬砌结构材料或实际含水率产生较大变化的隧道，需增加标定点的数量。具体的标定方法为：在厚度信息已知或材料和隧道已知的其他构件上进行测量；在隧道的洞口或内部不会受到来往车辆影响的部位采用直达波法进行测量；在必要的情况下可通过钻孔实测加以验证。

4.4 参数求取条件

（1）标定目标厚度需达到15 cm以上，同时厚度应已知。（2）标定记录中所有界面反射信号都必须清晰和准确。

4.5 标定结果计算

（1）介质相对电导系数与电磁波速度可采用以下公式计算得出：

（2）参数采取如表1所示。

表1 不同围岩条件下的电磁波波速

4.6 测量时窗确定

测量时窗长度与采样率可采用以下公式计算得出：

不同检测项目的天线频率、待测厚度与时窗均不相同：①初支厚度检测：天线频率为800~1 000 MHz，待测厚度为5~30 cm，时窗为1.5~9 ns；②初支背后回填检测：天线频率为400~900 MHz，待测厚度大于30 cm，时窗大于9 ns；③二衬厚度检测：天线频率为400~900 MHz，待测厚度为30~60 cm，时窗为9~18 ns；④隔二衬检测初支：天线频率为300~500 MHz，待测厚度为35~90 cm，时窗为10.5~27 ns；⑤钢架、钢筋与预埋件分布与数量检测：天线频率为800~1 000 MHz，待测厚度为10~60 cm，时窗为3~18 ns，采用中、高频率的天线能清晰反映出钢架及钢筋具体位置和分布情况，在数据采集过程中，时道间距应控制在2 cm以内。

4.7 探测深度确定

不同天线及其组合形式对应的探测深度可采用以下公式计算得出：

式（5）中，dmax表示天线最大探测深度，单位：m；σ表示介质电导率，单位：s/m；β表示介质吸收系数。

4.8 扫描点数确定

扫描点数可采用以下公式计算得出：

纵向布线需进行连续测量，实际扫描速度应达到64道（线）以上，对于特殊地段可进行点测，相邻测量点之间的距离应控制在20 cm以内。

5 基于地质雷达的隧道质量检测结果

根据地质雷达检测结果，导致二衬产生空洞的原因为施工方未能正确理解设计意图，设计要求采用新奥法进行施工，但现场却未能按照这一方法进行，比如光面爆破效果较差，存在严重的超挖情况；未能按照要求实施观测，在未能明确围岩收敛情况的条件下直接进行二衬施工。除此之外，由于混凝土封顶较为困难，二衬施工时，因泵送压力较低，加之混凝土自身流动性较差，受重力持续作用，导致拱顶处的混凝土未能达到饱满，产生空洞。

6 结语

综上所述，借助地质雷达对隧道二衬结构进行检测，发现二衬病害为拱顶背后存在渗漏与空洞；通过进一步检测发现，由于存在空洞，使二衬结构受力不均，同时拱顶弯矩产生很大变化，使拱顶与拱腰均成为受力薄弱位置；当拱顶背后存在较多空洞时应尽快进行处理，确保二衬结构处在可控状态，保证隧道正常和安全运营。