曾生臻

(福建省高速公路達(dá)通檢測(cè)有限公司，福州 350000)

近年來， 隨著我國(guó)交通行業(yè)的不斷發(fā)展及公路路網(wǎng)的普及，越來越多的隧道正在建設(shè)、建成進(jìn)而投入到運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，伴隨而來的是隧道二次襯砌質(zhì)量問題層出不窮。由于隧道二次襯砌為隱蔽性工程， 目前對(duì)于襯砌中的缺陷多采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)， 然地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果受到雷達(dá)儀器設(shè)備、檢測(cè)方法、檢測(cè)人員水平及經(jīng)驗(yàn)等方面的影響。如何采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及波形的分析，對(duì)隧道襯砌的缺陷特征進(jìn)行量化表示， 對(duì)后續(xù)缺陷整治及隧道工程實(shí)體質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。 本文通過分析隧道無損檢測(cè)的重要性、 總結(jié)工程實(shí)際過程中隧道襯砌無損檢測(cè)中存在的若干問題及其具體應(yīng)用進(jìn)行分析， 為隧道缺陷整治及后期的隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)管養(yǎng)提供一定的建議和參考。

1 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測(cè)中的重要性

由于隧道工程的眾多分項(xiàng)、 分部工程在建成后多屬于隱蔽工程，且檢測(cè)工程體量龐大，想要通過破壞性檢測(cè)的方法進(jìn)行全面的檢測(cè)不僅不現(xiàn)實(shí)， 更會(huì)破會(huì)隧道總體結(jié)構(gòu)的完整性。如隧道襯砌建成后想要探究襯砌的厚度、背后空洞密實(shí)情況、鋼筋及鋼支撐分布情況時(shí)，必須通過無損檢測(cè)的方式對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)， 目前對(duì)于襯砌中的缺陷情況多采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)， 地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)送和接收電磁波的形式， 可以實(shí)現(xiàn)在對(duì)隧道襯砌本身沒有任何傷害和破壞的情況下， 對(duì)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通對(duì)數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確掌握隧道襯砌的內(nèi)部質(zhì)量情況。 地質(zhì)雷達(dá)這種無損檢測(cè)的方式不但采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而且所使用的儀器在資金的投入上屬于一次性投入，因此是隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的不二選擇。 在隧道建設(shè)施工過程中可在襯砌混凝土施工完成后及時(shí)對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描檢測(cè)，采集其內(nèi)部缺陷情況，以便及時(shí)采取缺陷整治措施。對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的隧道工程，亦可通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描檢測(cè)， 為隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)管養(yǎng)提供一定的建議和參考依據(jù)。

2 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測(cè)中存在的若干問題

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌無損檢測(cè)中發(fā)揮的巨大作用是毋庸置疑的，但這不是說這種檢測(cè)方法就是通俗易懂，無可挑剔的了。 為了對(duì)隧道襯砌的所有狀況有更加準(zhǔn)確的把握，在使用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)時(shí)要對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確度、圖像的直觀性、后續(xù)軟件的處理能力、檢測(cè)人員的能力和經(jīng)驗(yàn)等密切關(guān)注。 通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)檢測(cè)過程中存在的主要問題呈現(xiàn)如下。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌中傳播速度受影響的問題

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌的檢測(cè)主要是通過電磁波來完成的，然電磁波的傳播速度主要取決于傳播介質(zhì)，傳播介質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致電磁波的波速產(chǎn)生較大的波動(dòng)， 導(dǎo)致對(duì)襯砌厚度的檢測(cè)精度出現(xiàn)較大的偏差。 因此在檢測(cè)過程中， 對(duì)電磁波的波速的認(rèn)定不能僅依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行，而是要對(duì)目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而得到目標(biāo)介質(zhì)的波速和介電常數(shù)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌空洞范圍的探測(cè)問題

襯砌空洞范圍的探測(cè)是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌空洞的形狀及尺寸做出精確的測(cè)量和判斷還存在較大的難度。 這方面的問題除了需要在地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)上加以提高改進(jìn)外， 還應(yīng)從檢測(cè)方法中加以改善，如對(duì)存在空洞的目標(biāo)體進(jìn)行網(wǎng)格化掃描檢測(cè)，判定區(qū)脫空范圍，提高檢測(cè)精度。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)在檢測(cè)過程中的襯砌表層鋼筋后部情況不易識(shí)別問題

由于地質(zhì)雷達(dá)所使用的電磁波在鋼筋中的傳播速度為0(鋼筋的介電常數(shù)無限大)，電磁波傳播到鋼筋表面無法對(duì)其進(jìn)行穿透。襯砌內(nèi)部鋼筋較密，入射波在鋼筋網(wǎng)上產(chǎn)生強(qiáng)反射，透射能力弱，且鋼筋的繞射波阻礙了對(duì)鋼筋后部情況的識(shí)別，造成鋼筋網(wǎng)后部的襯砌界面不易識(shí)別，單、雙層鋼筋網(wǎng)不易判別。建議可以通過改變天線的移動(dòng)方向，提高電磁波的透射能力。

3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的案例應(yīng)用分析

對(duì)福建省某在建高速公路的多座隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)， 現(xiàn)從地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌的厚度方面， 襯砌的空洞、脫空方面，初期支護(hù)中鋼支撐數(shù)量及間距方面，二次襯砌中鋼筋分布情況等4 個(gè)方面分別列舉一些雷達(dá)典型波形進(jìn)行分析。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌的厚度方面探測(cè)分析

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)襯砌厚度的識(shí)別是通過電磁波在傳播過程中，由一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化才能接收到反射信號(hào)。 反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上下介質(zhì)的介電常數(shù)差值，介電常數(shù)差值越大，反射信號(hào)越強(qiáng)；介電常數(shù)無差異，則不發(fā)生反射。

電磁波在入射過程中逐漸損失高頻信號(hào)， 而剩下的低頻信號(hào)的疊加將導(dǎo)致波形圖的視周期變大， 襯砌厚度的判斷可以根據(jù)視周期的變化來判別和區(qū)分雷達(dá)圖像所表征的不同厚度層。 同一材料(介電常數(shù))的厚度層中，其波形的視周期基本一致。

通過對(duì)該隧道ZK96+380～ZK96+625 段落的拱頂、左右拱腰、左右邊墻共5 條線進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)掃描檢測(cè)，按照業(yè)主要求二襯厚度值檢測(cè)結(jié)果以5 m 間距取一個(gè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行匯總，二襯厚度實(shí)測(cè)250 個(gè)點(diǎn)，合格236個(gè)點(diǎn)，合格率為94.4%。 隧道二次襯砌雷達(dá)檢測(cè)厚度成果見表1。

圖1 為某隧道二次襯砌厚度典型雷達(dá)圖像， 其隧道二次襯砌與初期支護(hù)的分界面反射信號(hào)清晰。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌的空洞、脫空等方面探測(cè)分析

當(dāng)隧道襯砌混凝土中存在空洞或者脫空的情況時(shí)，空洞或者脫空的空腔內(nèi)一般情況下都是空氣， 如果是含水較多的隧道，空腔內(nèi)也有可能是水。襯砌混凝土的介電常數(shù)一般是在6～9，空氣的介電常數(shù)為1，水的介電常數(shù)為81， 當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)產(chǎn)生的電磁波從襯砌混凝土中傳播到空洞時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生較大的變化，反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大。

表1 某隧道二次襯砌雷達(dá)檢測(cè)厚度成果

圖1 隧道二次襯砌厚度典型雷達(dá)圖像

當(dāng)空洞的空腔內(nèi)是空氣時(shí)， 電磁波從混凝土傳播到空氣，介電常數(shù)從大到小，反射波的相位不會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)當(dāng)空洞的空腔內(nèi)是水時(shí)，電磁波從混凝土傳播到水，介電常數(shù)從小到大，反射波的相位會(huì)變?yōu)榉聪颉?/p>

圖2 為某隧道二襯(素混凝土) 空洞典型雷達(dá)圖像，ZK107+880～ZK107+882 拱頂部位二次襯砌施工縫處形成的倒三角形空洞，長(zhǎng)度約2 m(素混凝土)，現(xiàn)場(chǎng)將二襯破除后(圖3)測(cè)得所檢測(cè)部位的二襯厚度為20cm，背后空洞深度約為26cm，襯砌空洞模型見圖4。

圖2 二襯(素混凝土)空洞典型雷達(dá)圖像

圖3 現(xiàn)場(chǎng)襯砌破除驗(yàn)證圖

圖4 襯砌空洞模型

圖5 為某隧道二襯(鋼筋混凝土) 空洞典型雷達(dá)圖像，ZK109+138～ZK109+140 拱頂部位二次襯砌鋼筋背后形成的倒三角形空洞，長(zhǎng)度約2 m(鋼筋混凝土)，二襯混凝土厚度最薄處約為10 cm。

圖6 為某隧道二次襯砌與初期支護(hù)之間脫空典型雷達(dá)圖像，YK101+315.5～YK101+326.5 隧道拱頂部位二次襯砌與初期支護(hù)之間形成的連續(xù)脫空區(qū)域(長(zhǎng)度約11 m)，襯砌脫空模型見圖7。

圖5 二襯(鋼筋混凝土)空洞典型雷達(dá)圖像

圖6 二次襯砌與初期支護(hù)之間脫空典型雷達(dá)圖像

圖7 襯砌脫空模型

圖8 為某隧道二次襯砌大面積空洞典型雷達(dá)圖像，YK101+530.3～YK101+534 隧道拱頂部位二次襯砌背后形成大面積的空洞(長(zhǎng)度約3.7 m)，造成二次襯砌混凝土厚度最小值只有約10 cm 厚， 二襯混凝土設(shè)計(jì)厚度為35 cm。 襯砌大面積空洞模型見圖9。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道初期支護(hù)中鋼支撐數(shù)量及間距方面探測(cè)分析

隧道初期支護(hù)中鋼支撐數(shù)量及間距的檢測(cè)時(shí)， 需要采用測(cè)距輪模式進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集。 由于電磁波在鋼筋中的傳播速度為0， 鋼支撐的介電常數(shù)無限大，且鋼支撐間距一般都相對(duì)較大，電磁波信號(hào)傳播到鋼支撐時(shí)，在雷達(dá)波形圖上的反應(yīng)就是分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)。

圖8 二次襯砌大面積空洞典型雷達(dá)圖像

圖9 襯砌大面積空洞模型

圖10 為某隧道初期支護(hù)中鋼支撐典型雷達(dá)圖像，ZK101+480～ZK101+490 隧道左邊墻部位初期支護(hù)中鋼支撐數(shù)量為10 榀，平均間距為1.00 m，該段落鋼支撐設(shè)計(jì)數(shù)量為10 榀，設(shè)計(jì)間距為1 m。

3.4 地質(zhì)雷達(dá)在隧道二次襯砌中鋼筋分布情況的探測(cè)分析

電磁波在鋼筋中的傳播情況同在鋼支撐中類似，只是鋼筋尺寸較小，且鋼筋分布較密集，所以鋼筋在雷達(dá)波形圖上的反應(yīng)就是連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)。

圖10 初期支護(hù)中鋼支撐典型雷達(dá)圖像

圖11 二次襯砌鋼筋混凝土典型雷達(dá)圖像(1)

圖12 二次襯砌鋼筋混凝土典型雷達(dá)圖像(2)

圖11～12 為某隧道二次襯砌鋼筋混凝土典型雷達(dá)圖像， 其中圖11 的YK107+403～YK107+413 隧道右邊墻部位二襯中的雙層鋼筋反射信號(hào)比較明顯； 圖12 的ZK107+705～ZK107+716 隧道右邊墻部位二襯筋網(wǎng)后部的二次襯砌與初期支護(hù)分界面較為明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

在隧道的建設(shè)施工過程中，由于各方面因素的影響，二次襯砌往往會(huì)出現(xiàn)襯砌厚度不足、 背后出現(xiàn)空洞或脫空、鋼筋或鋼支撐間距不合格等質(zhì)量問題，地質(zhì)雷達(dá)因其特有的無損、便捷、高效等特點(diǎn)，在二襯缺陷檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。除了不斷創(chuàng)新研發(fā)新的地質(zhì)雷達(dá)產(chǎn)品外，更應(yīng)該提高檢測(cè)技術(shù)人員的技術(shù)水平和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)的積累，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性， 才能更加高效的為隧道工程實(shí)體質(zhì)量提供保障，確保隧道的運(yùn)營(yíng)安全。