探讨隧道工程质量检测中无损检测技术的运用

收稿日期：2024-01-22

作者简介：徐超（1989—），男，硕士研究生，工程师，从事公路工程质量安全监督管理工作。

摘要 近年来，随着交通运输行业的高速发展，我国的公路隧道工程建设愈加完善，有效推动了区域经济文化的交流与发展。为有效提高隧道施工质量，保证结构使用安全，加强隧道质量检测具有重要意义。基于此，文章首先对隧道工程质量检测中无损检测技术进行研究。然后结合某公路隧道工程运营现状，针对地质雷达无损检测技术工作原理及工作中存在问题进行分析。最后提出了科学有效的解决措施；通过该技术的实际应用，及时发现并解决了隧道工程存在的质量问题，保证隧道安全、稳定运营。

关键词 公路隧道项目；隧道质量检测；无损检测

中图分类号 U455.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0159-03

0 引言

无损检测是在不损坏结构完整性的条件下，对结构实施的质量检测，是隧道工程施工及竣工验收的必备环节，对提升隧道建设质量，保证隧道运营安全具有重要作用[1]。该文结合实际工程案例，对隧道工程无损检测技术的应用展开综合探究，分析了存在问题，总结了针对性解决措施，以期能有效提升隧道工程建设质量，保证结构使用安全。

1 工程概况

某公路工程项目共有3座隧道（即1#～3#隧道），设计总长度3 900 m，隧道内车行道宽7 m，采用双向二车道布置，隧道宽度为10.7 m，净空高度7 m，限高5 m。隧道自交付使用至今，洞内产生大量裂缝，并出现不同程度的渗漏，维修加固效果不理想，渗漏问题越发严重。为全面了解隧道结构特征，确定质量病害形成原因，该工程引入地质雷达无损检测技术，现对地质雷达无损检测设备，基于地质雷达的隧道质量检测常见问题及解决措施、操作步骤及该检测结论进行分析，旨在为同行提供借鉴。

2 地质雷达无损检测设备及要求

地质雷达组成：①主机系统。②天线系统。其中，主机系统包含数据储存、控制单元及显示系统，天线主要包括发射天线和接收天线。其主要是根据电磁波在检测对象内部传播情况判定结构均匀性及完整性，是现阶段较为常用的无损检测技术。实际检测时，利用信号发射装置释放电磁波，并借助发射天线将信号引入混凝土结构内部，同时利用接收天线对信号实施科学处理，检测过程中兼顾电磁波传输途中因自身性能变化或被测物体尺寸变化导致的相位变化、回波变动等问题，从而利用计算机系统收集和处理反射波，并结合反射频率、传输时间及回波情况综合确定地下构造，获取科学有效的质量检测数据，为后续工作的开展提供依据[2-3]。

地质雷达主机性能要求：①系统增益应高于150 dB。②信噪比应高于60 dB。③采样间距应小于0.5 ns，且A/D系统转换应高于16位。④计时偏差不得超过1 ns。⑤具备点测及连续检测等双重性能，且连续检测时速度不低于64次/s。⑥具备可选择性信号累积、实时滤波、时窗、增益、点测和连续检测记录功能。⑦具备现场数据处理、检测及显示功能[4]。

地质雷达技术指标要求：①检测目标厚度不得低于天线波长的25%。②检测目标宽度及两相邻检测目标间距不得小于第一菲涅尔带半径。③检测线路应平整、畅通，确保天线平稳运动。④不得靠近电磁信号屏蔽层。⑤天线装置必须具备良好的屏蔽效果，并且其检测范围应达到2.0 m以上[5]。

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

现阶段，地质雷达在隧道工程检测中得到了广泛应用，但由于自身性能、外部环境等各方面因素影响，导致实际检测工作中存在诸多问题，严重影响检测精度和效率。主要问题如下：

3.1 原理方面

由于地质雷达检测以电磁波为核心，因此最关键的环节在于合理确定介电常数，以保证检测工作的顺利开展，提高后期数据处理效率。隧道工程介质主要有空气、水、混凝土、黏土、凝灰岩等，其基本性能指标如下：

（1）空气：导电率0 sm，电容率1.0 F/m，传播速度0.4 m/ns，衰耗常数0 dB·m?1。

（2）水：导电率为1.0×10?3～3.1×10?2 sm，电容率81.2 F/m，传播速度0.034 m/ns，衰耗常数0.2 dB·m?1。

（3）混凝土：导电率为1.0×10?7 sm，电容率

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

（4）粘性土：导电率为0.1～1.0 sm，电容率8.0～

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

（5）花岗岩：导电率为4.0×10?6 sm，电容率

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

电磁波对钢铁材料极为敏感，会在一定程度上影响其传播速率，而隧道结构内存在较多钢铁材料，比如钢筋、型钢拱架等，势必会影响检测结果准确性。

电磁波传输时极易受铁质介质影响，而隧道内部分布大量铁质介质，如电缆、钢筋、管材等，势必会在一定程度上影响检测结果准确性。

3.2 操作方面

初期支护检测过程中，存在如下问题：

（1）由于初期支护平整度较差，造成里程信息误差较大，从而导致检测结果评价偏差较大。

（2）天线系统操控人员专业技术水平低下，未严格按照技术规程操作，造成检测结果存在较大误差。

（3）实际检测时，由于技术参数设置不合理导致信息采集偏差较大，影响结果判定。

（4）检测人员专业水平存在较大差异，对相同检测信息作出不同评价。

结合实际检测工作中存在的问题，根据以往检测经验，提出了针对性解决方案，具体如下：

（1）隧道工程不同施工部位、施工环节，初期支护存在多种介电常数，鉴于此，在采用地质雷达进行检测时，对于同一隧道，需采用多种介电常数实施检测。针对各施工部位，应分别实施标定，以有效降低检测偏差[6]。

（2）采用地质雷达监测时，应实时监测周围环境变化，并详细记录环境变化情况，以确保后续信息处理的准确性、高效性。具体检测时，应准确全面统计现场所有可能对检测结果造成影响的因素，如照明设施、车辆、机械及人员等，详细标明各影响因素的具体位置及距测线的距离。

（3）实际检测时，若检测体表面平整度较差，禁止采用系统测距，应利用时间触发来采集信息，以5 m间距为标准进行手动标记，检测过程中应始终确保天线匀速移动。

（4）强化检测人员专业技能培训，并安排专人负责天线操控，严格按照规范要求进行检测，若现场操控人员无法胜任该工作，应及时换人，防止因人为因素造成检测结果不合格[7]。

（5）通过模拟试验的方式进行循环操作，以验证结果的准确性，并按照模拟数值对测量数据进行调整。同时，工程实践中，应根据天线系统组合形式，并结合测量对象实际情况科学设定检测指标。

（6）借助缺陷预测模型将所有问题标注于图集内，编制标准化图集，为后续隧道工程质量检测提供理论依据。

4 基于地质雷达的隧道质量检测步骤

4.1 现场采集准备

地质雷达检测是一项综合性工作，为确保检测结果准确性，需预先做好前期准备工作，具体包括：

（1）充分掌握检测对象属性。

（2）合理布置测线，详细记录现场环境状况，并选择合适的天线。

（3）根据检测要求合理设定采集系统相关技术指标。

（4）科学标定介电常数[8]。

（5）待上述工作完成后，正式实施检测。

4.2 测线布置

隧道质量检测时，应严格按照纵向为主，横向为辅的原则进行测线布设。

（1）采用纵向布线的主要部位包括拱顶、拱腰及边墙等，横向布线的部位、间距应结合实际检测项目及相关规定综合确定，通常状况下，布设间距以8～12 m为宜，使用点测法检测时，各断面测点设置个数不得少于6个。此外，实际检测时若出现异常情况，应对测线、测点实施适当加密。

（2）竣工检测时，主要采用纵向布线，特殊情况下可增设水平测线。其中纵向侧线布设位置包括拱顶、拱腰、边墙，布线间距以8～12 m为宜，使用点测法检测时，每个断面测点数量不得少于5个。当对空洞位置进行检测时，应对测线、测点实施合理加密。

（3）三车道隧道质量检测时，需根据相关技术标准要求在拱顶位置增设两条测线，每间隔5～10 m作出里程标记。

4.3 介质参数标定

采用地质雷达对隧道实施质量检测前，需现场测定衬砌结构电容率，测点数量不得少于3点，并以均值为实际电容率。当隧道长大于3.0 m时，应结合具体状况，适当增加测点数量。具体标定方式如下：①在厚度确定或材质与隧道一致的构件上进行标定。②在隧道口或内部车辆干扰较小的位置通过直达波法测定。③特殊状况下，可采用钻孔方法进行验证。

4.4 参数求取条件

（1）标定目标厚度不得小于15 cm，且厚度确定。

（2）标定项目相关界面反射信号应准确。

4.5 标定结果计算

（1）导电系数表达式如式（1）：

ξr=（0.3t/2d）2 （1）

电磁波传播速率计算式，如式（2）：

v=（2d/t）×109 （2）

式中，ξr——导电系数；t——电磁波传播时间（s）；d——检测对象厚度（mm）；v——电磁波传播速率

（m/ns）。

（2）不同条件下电磁波传播速度如表1所示。

4.6 测量时窗确定

检测时窗长与采样率依次由下式（3）、（4）求得：

（3）

S=2×Δt×f×k×10?3 （4）

式中，Δt——时窗长度（ns）；S——采样率（%）；a——优化指数，其值为1.5～2.0；f——天线频率（MHz）；k——系数，其值为6～10。

所有测量对象天线频率、测量厚度及时窗存在显著差异。具体情况如下：①初支厚度检测：天线频率、测量厚度、时窗取值区间分别为800.0～1 000.0 MHz、5.0～30.0 cm和1.5～9.0 ns。②初支背后填土层测量：天线频率取值区间为400.0～900.0 MHz，测量厚度应控制在30.0 cm以上，时窗控制在9.0 ns以上。③二衬厚测量：天线频率、测量厚度、时窗取值区间分别为400.0～

900.0 MHz、30.0～60.0 cm和9.0～18.0 ns。④初支及二衬整体检测：天线频率、测量厚度、时窗取值区间分别为300.0～500.0 MHz、35.0～90.0 cm和10.5～27.0 ns。⑤钢筋、管线分布状况测量：天线频率、测量厚度、时窗取值区间分别为800.0～1 000.0 MHz、10.0～60.0 cm和3.0～

18.0 ns，通过高频及中频天线装置能够精准识别出钢筋及管线分布位置，在进行具体测量时应严格控制时窗间距，确保位于2.0 cm以内。

4.7 探测深度确定

各种天线及组合方式适用的检测深度可利用式（5）得出：

dmax<30/σ或dmax<30/β （5）

式中，dmax——最大探测深度（m）；σ——介质电导率（s/m）；β——介质吸收系数。

4.8 扫描点数确定

扫描点数可通过式（6）得出：

S=2×Δt×f×k×10?3 （6）

式中，S——扫描样点数；Δt——时窗长度；f——天线中心频率；k——系数，通常取6～10。

采用纵向布线时，应实施连续测量，实际扫描速率不得低于64道，针对较为特殊部位应采用点测法进行检测，相邻两测点间距不得超过20 cm。

5 基于地质雷达的隧道质量检测结果

地质雷达检测结果表明，该隧道二次衬砌形成空洞的主要原因是施工方对设计图纸了解不够深入，未真正明白设计意图。设计规定隧道施工应采用新奥法，而实际施工时未严格按照设计要求执行，造成施工质量达不到设计标准要求[10]。如光面爆破质量不达标，造成隧道超挖；未根据施工规范要求对隧道实施监测，在不了解洞体围岩实际收敛状况的情况下直接开始二次衬砌施工。此外，因混凝土封顶难度较大，二次衬砌施作时，由于泵送压力不足、混凝土和易性较差，在重力作用影响下，造成拱顶位置混凝土密实度不合格，形成空洞问题。

6 结论

综上所述，地质雷达无损检测作为隧道工程施工与验收的关键环节，对提高隧道施工质量，保证隧道运营安全具有重要作用。该文结合某公路隧道工程运营现状，对无损检测技术的应用展开综合探究，分析了地质雷达无损检测工作中存在问题，并提出了科学有效的解决措施。采用地质雷达对隧道二次衬砌质量进行检测，发现二次衬砌拱顶后方存在大面积空洞，造成二次衬砌支护体系受力不均，使拱顶、拱腰部位形成受力薄弱环节，严重威胁隧道结构安全，应及时采取加固措施，确保二次衬砌结构稳定、可靠，保证隧道安全、稳定运营。

参考文献

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