摘要 為探究超聲波及探地雷達(dá)對(duì)隧道襯砌深層病害的檢測(cè)效果與各類(lèi)病害的顯示特征，文章以某老舊運(yùn)營(yíng)隧道為例，開(kāi)展了多種隧道常見(jiàn)病害的無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，分別對(duì)比超聲波與探地雷達(dá)的檢測(cè)效果，提出了各病害在不同檢測(cè)設(shè)備下的顯示特征及儀器適用性?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，（1）探地雷達(dá)及超聲波均能有效檢測(cè)襯砌背后空腔；（2）探地雷達(dá)能夠識(shí)別開(kāi)裂病害，但難以檢測(cè)裂縫深度；（3）使用探地雷達(dá)不僅能夠測(cè)量空洞位置，還能識(shí)別空洞深度。

關(guān)鍵詞 公路隧道；無(wú)損檢測(cè)；探地雷達(dá)；超聲波；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0103-03

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，隧道建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)隧道從建設(shè)期逐步進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期[1-2]。大量既有隧道病害開(kāi)始逐步顯現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，超過(guò)80%運(yùn)營(yíng)10年以上的老舊隧道均存在隧道病害問(wèn)題[3]，約30%以上存在結(jié)構(gòu)破損問(wèn)題需要修補(bǔ)加固[4]。由于隧道支護(hù)為隱蔽工程，普通人工檢測(cè)手段難以探出深層病害，而鉆孔取芯等方法又會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞。目前，無(wú)損檢測(cè)手段成為隧道檢測(cè)的主流[5-6]。

隧道無(wú)損檢測(cè)是在不損害或不影響隧道使用功能的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常所引起的聲、光、熱、電、磁等反應(yīng)的變化，檢查結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的狀態(tài)及缺陷。其中，探地雷達(dá)及超聲波等檢測(cè)方法以其快速、高效等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于隧道的無(wú)損檢測(cè)[7-8]。

目前雖然眾多學(xué)者采用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)一系列病害特征進(jìn)行了模型正演和模擬測(cè)試[9-10]，但其研究對(duì)象均為理想狀態(tài)，而隧道現(xiàn)場(chǎng)情況往往更為復(fù)雜，因此仍需進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證無(wú)損檢測(cè)方法的可靠性。超聲波檢測(cè)法是近年來(lái)逐步發(fā)展成熟的內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法，主要通過(guò)波速及波幅異常點(diǎn)推測(cè)構(gòu)件可能存在的缺陷位置。田建行[11]通過(guò)超聲波幅值法，判斷了鋼筋混凝土內(nèi)部的空洞位置及大??；楊建喜[12]運(yùn)用超聲橫波層析成像技術(shù)對(duì)隧洞襯砌內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，以評(píng)估襯砌內(nèi)部的缺陷狀態(tài)。此外，還有眾多學(xué)者運(yùn)用超聲波成像技術(shù)對(duì)土木工程構(gòu)建進(jìn)行檢測(cè)，證實(shí)了超聲波技術(shù)檢測(cè)構(gòu)建缺陷的可行性[13-16]。

然而，目前大多數(shù)研究?jī)H依靠單種測(cè)試手段評(píng)估襯砌病害，很少進(jìn)行多種檢測(cè)手段的結(jié)合，該文基于不同病害的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，分別提出超聲波和探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)方法的適用性。因此，該文針對(duì)某老舊運(yùn)營(yíng)隧道的多種病害，分別運(yùn)用超聲波和探地雷達(dá)兩種檢測(cè)方法，對(duì)比各病害的檢測(cè)圖像，提出不同設(shè)備在不同病害下的顯示特征，為工程無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 探地雷達(dá)與超聲波

1.1 探地雷達(dá)檢測(cè)原理

探地雷達(dá)檢測(cè)原理主要基于電磁波發(fā)射、傳播、反射和接收特性，如圖1所示，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。根據(jù)接收波的波形、幅度與雙程走時(shí)，推斷結(jié)構(gòu)物內(nèi)部缺陷及尺寸大小。

圖1 探地雷達(dá)檢測(cè)原理示意圖

隧道中混凝土介電常數(shù)通常為6～9 F/m，空氣和水介電常數(shù)分別為1 F/m和81 F/m。介電常數(shù)的差異是導(dǎo)致電磁波反射的主要原因，因此在不同材料的交界處，電磁波易發(fā)生反射現(xiàn)象，介電常數(shù)差異越大則反射越強(qiáng)烈。此次探地雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備為IDS RIS系列探地雷達(dá)，配套TR 900天線，天線頻率為900 MHz，測(cè)點(diǎn)間距為

0.01 m，采樣率為512樣/掃描。

1.2 探地雷達(dá)檢測(cè)流程

由于實(shí)際工程難以探查驗(yàn)證缺陷的真實(shí)分布情況，因此使用無(wú)損檢測(cè)手段必須按照標(biāo)準(zhǔn)化流程及規(guī)范操作，以確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。以下為探地雷達(dá)檢測(cè)流程。

使用前準(zhǔn)備工作：

（1）儀器使用前，須檢查儀器各連接端口的狀態(tài)，確保各組成部件的可靠連接，并在使用前及使用過(guò)程中及時(shí)檢查雷達(dá)供電電瓶的工作情況。

（2）根據(jù)檢測(cè)需求，選定所使用的雷達(dá)天線型號(hào)。通常，在檢測(cè)隧道初支或二襯厚度及鋼筋分布時(shí)，宜選用TR900天線；竣工驗(yàn)收時(shí)對(duì)整體隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)

時(shí)，宜選用TR900+TR400天線同時(shí)檢測(cè)。

（3）連接測(cè)距輪，確認(rèn)測(cè)距輪是否正常運(yùn)行，并確保主機(jī)能夠收到雷達(dá)信號(hào)。

探地雷達(dá)檢測(cè)：

（1）清掃測(cè)區(qū)表面，要求測(cè)區(qū)表面無(wú)浮塵或積水。

（2）開(kāi)啟主機(jī)測(cè)試軟件，選擇天線類(lèi)型并設(shè)置增益。

（3）開(kāi)始測(cè)量，同時(shí)移動(dòng)探地雷達(dá)天線及測(cè)距輪，保持移動(dòng)速度一致，切勿逆向滑移。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況修改時(shí)窗值，時(shí)窗值的設(shè)置參考：目標(biāo)深度（m）×20=時(shí)窗（ns）。

（5）保存文件，檢查數(shù)據(jù)文件及設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)入下一測(cè)區(qū)時(shí)，重復(fù)如上所述進(jìn)行操作。

1.3 超聲波檢測(cè)原理

與電磁波類(lèi)似，當(dāng)一束聲波射入兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，聲波會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，該現(xiàn)象是超聲波檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的基礎(chǔ)。聲波反射強(qiáng)度主要取決于介質(zhì)間聲阻抗的差異，常見(jiàn)C30混凝土聲阻抗為8.97 Pa·m-2s-1，

而空氣和水的聲阻抗分別為0.000 4 Pa·m-2s-1和1.48 Pa·m-2s-1，因此超聲波檢測(cè)混凝土后空腔將更具優(yōu)勢(shì)。

此次使用的超聲波儀器為俄羅斯ACSA1040 MIRA 3D混凝土三維超聲波成像儀。該儀器通過(guò)合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編制和處理，將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像信息，以不同的亮度、顏色或灰度表征構(gòu)件內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)和特性，最終可呈現(xiàn)出構(gòu)件的三維可視化掃描圖像，同時(shí)可查看各切面狀態(tài)。超聲斷層成像結(jié)合陣列式干耦合技術(shù)，與傳統(tǒng)的單發(fā)單收超聲檢測(cè)相比，采用多發(fā)多收的工作方式在檢測(cè)時(shí)可不用涂抹耦合劑。

檢測(cè)時(shí)將參數(shù)設(shè)置為波速2 500 m/s，模擬增益19 dB，數(shù)字增益16 dB。

1.4 超聲波檢測(cè)流程

超聲波檢測(cè)流程如下：

（1）確定超聲波斷層掃描儀工作方式。對(duì)被側(cè)面任意位置進(jìn)行測(cè)試時(shí)，應(yīng)選擇局部測(cè)試；對(duì)被測(cè)物某區(qū)域進(jìn)行全面檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇連續(xù)測(cè)試。

（2）清理被測(cè)物表面。清除會(huì)干擾低頻超聲波穿透的表面物質(zhì)。

（3）進(jìn)行初步測(cè)試。根據(jù)超聲波檢測(cè)結(jié)果，設(shè)置檢測(cè)深度、數(shù)字增益、模擬增益、波速及工作頻率；其中，在有標(biāo)準(zhǔn)試塊的情況下，可通過(guò)試塊厚度及超聲波反射結(jié)果調(diào)整出準(zhǔn)確的波速，而在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)試塊的條件下，可運(yùn)用自動(dòng)波速校準(zhǔn)方式確定被測(cè)物的波速。

（4）創(chuàng)建掃描計(jì)劃并標(biāo)記被測(cè)物表面。在連續(xù)掃描時(shí)，提前設(shè)置固定步距的測(cè)量點(diǎn)位。

（5）測(cè)試并保存聲波結(jié)果。

2 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

分別使用超聲波和探地雷達(dá)對(duì)隧道無(wú)病害及滲水、開(kāi)裂、空洞病害處進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下：

2.1 干燥無(wú)明顯病害處

對(duì)隧道洞壁干燥且無(wú)明顯病害的斷面?zhèn)葔M(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，雷達(dá)圖無(wú)明顯規(guī)律和特殊線條，聲波圖可以清楚地看到淺層的鋼筋和格柵鋼架，鋼筋下方無(wú)明顯反射，說(shuō)明混凝土澆筑質(zhì)量較好，二襯與止水板、初襯之間貼合緊密。

2.2 滲水處識(shí)別

隧道中某斷面右側(cè)滲水嚴(yán)重，斷面內(nèi)已開(kāi)設(shè)多處泄壓孔，泄壓孔泄水情況如圖2所示，水流呈噴射狀，水壓極大。

圖2 滲水處泄壓孔

上述情況通常是由于襯砌與圍巖結(jié)合面不緊密，形成了滲水通道，因此分別對(duì)該斷面的拱腰及側(cè)墻處進(jìn)行檢測(cè)。

圖2所示的泄壓口位于隧道拱腰處。探地雷達(dá)及超聲波檢測(cè)圖像均在該處出現(xiàn)異常，探地雷達(dá)圖在0.5m深度處出現(xiàn)異常線條，表明該處介質(zhì)可能不連續(xù)，超聲波也在0.5 m深度處出現(xiàn)強(qiáng)烈反射。在此處鉆孔取芯（如圖3所示）后發(fā)現(xiàn)，在0.52 m深度處的止水板與初襯中間夾雜著泥沙，說(shuō)明探地雷達(dá)及超聲波能夠有效地檢測(cè)出襯砌外環(huán)積水，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)反射，因?yàn)樗畨簩⒅顾迮c初襯中間的界面撐開(kāi)，并且將泥沙帶入。與探地雷達(dá)檢測(cè)圖相比，超聲波檢測(cè)結(jié)果更加直觀，病害處反射更加明顯。

圖3 鉆孔取芯結(jié)果

滲水處側(cè)墻檢測(cè)結(jié)果顯示，雷達(dá)圖與聲波圖均在一定深度處出現(xiàn)明顯反射，且線條形狀、走向均一致，兩設(shè)備互相印證。僅在深度方向上，雷達(dá)圖與聲波圖出現(xiàn)幾厘米的差異，這是由于在檢測(cè)前現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)備測(cè)試時(shí)的參數(shù)設(shè)置均使用經(jīng)驗(yàn)值，差異由此產(chǎn)生。

結(jié)合拱腰鉆孔結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況，可以推斷此處出現(xiàn)異常原因如下：襯砌背后存在較大水壓，使得止水板與初襯之間脫空。

2.3 開(kāi)裂識(shí)別

對(duì)隧道明顯開(kāi)裂處進(jìn)行檢測(cè)，使用探地雷達(dá)檢測(cè)裂縫時(shí)，探地雷達(dá)圖在40～50 cm深度處出現(xiàn)“^”形線條；超聲波則無(wú)明顯反射現(xiàn)象，也無(wú)明顯開(kāi)裂特征識(shí)別。根據(jù)鉆孔結(jié)果，該裂縫為垂直于測(cè)量面的裂縫，探入孔中測(cè)量裂縫深度為11 cm左右，因此兩設(shè)備均無(wú)法探測(cè)垂直裂縫深度。

2.4 空洞識(shí)別

隧道存在一個(gè)肉眼可見(jiàn)空洞，如圖4所示，該處襯砌僅有一層薄木板，木板后為空洞，襯砌厚度嚴(yán)重不足。在空洞處使用探地雷達(dá)進(jìn)行掃描，結(jié)果顯示該段襯砌在中間約1 m的寬度范圍內(nèi)，厚度僅有幾厘米；在1 m的寬度范圍外，襯砌厚度才逐漸增大至15～20 cm，但襯砌厚度依然不足。

將雷達(dá)圖增加對(duì)比度后，在約20 cm位置處出現(xiàn)強(qiáng)反射，該反射顯示為空洞深度?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告顯示，該空洞范圍為1.3 m×1 m，空洞深度為23.2 cm，襯厚度最薄處為8 mm。在此測(cè)量路徑上，探地雷達(dá)測(cè)出的空洞區(qū)域約為1 m，空洞深度約20 cm，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告相吻合，說(shuō)明探地雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別空洞及其范圍。

圖4 滲水處泄壓孔

3 結(jié)論

為了評(píng)價(jià)探地雷達(dá)和超聲波對(duì)各類(lèi)病害檢測(cè)的適用性及準(zhǔn)確性，對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)病害進(jìn)行了檢測(cè)，并將探地雷達(dá)及超聲波檢測(cè)圖進(jìn)行了對(duì)比印證，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)襯砌與圍巖貼合緊密時(shí)，探地雷達(dá)及超聲波檢測(cè)不會(huì)出現(xiàn)界面的強(qiáng)烈反射情況，當(dāng)襯砌與圍巖間存在空洞時(shí)，兩設(shè)備均能有效檢測(cè)并識(shí)別其深度。

（2）在常規(guī)病害檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)結(jié)果更加直觀，病害識(shí)別更明顯。

（3）對(duì)于垂直于被側(cè)面的開(kāi)裂病害，超聲波難以探測(cè)，探地雷達(dá)則會(huì)出現(xiàn)“^”形線條，但仍無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別裂縫深度。

（4）在檢測(cè)較大空洞時(shí)，可通過(guò)提高超聲波圖像對(duì)比度識(shí)別空洞深度。

參考文獻(xiàn)

[1]陳健，袁大軍，蘇秀婷，等.超大直徑水下盾構(gòu)隧道施工技術(shù)進(jìn)展與展望[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2024（2）：124-138.

[2]黃加明，夏才初，白雪瑩.凍融循環(huán)下隧道非凍土段底部融沉變形規(guī)律[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2021（2）：453-460.

[3]高成路，李術(shù)才，林春金，等.隧道襯砌滲漏水病害模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[J].巖土力學(xué)， 2019（4）：1614-1622.

[4]蔣宇靜，張學(xué)朋.纖維增強(qiáng)聚合物水泥砂漿基復(fù)合材料在運(yùn)營(yíng)隧道襯砌中加固效果評(píng)價(jià)[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治， 2020（1）：11-19.

[5]周建庭，張森華，張洪.磁測(cè)法在橋梁隱蔽病害檢測(cè)中的研究進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2021（11）：1-10.

[6]龔曉南，郭盼盼.隧道及地下工程滲漏水誘發(fā)原因與防治對(duì)策[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2021（7）：1-30.

[7]秦臻，黃波林，張鵬.基于探地雷達(dá)檢測(cè)的巖溶岸坡內(nèi)部宏觀裂隙響應(yīng)規(guī)律研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2021（3）：628-639.

[8]胡繞.基于超聲橫波的混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)成像技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)， 2020（6）： 17-21.

[9]宋福彬，楊杰，程琳，等.地質(zhì)雷達(dá)正演在隧洞襯砌病害識(shí)別中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2021（4）：48-56.

[10]朱兆榮，趙守全，秦欣，等.探地雷達(dá)隧道襯砌空洞探測(cè)效果模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)， 2022（S1）：132-137.

[11]田建行.混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的超聲成像檢測(cè)方法研究[D].保定：河北大學(xué)， 2022.

[12]楊建喜，張盛行，湯雷，等.超聲橫波成像檢測(cè)隧洞襯砌質(zhì)量的響應(yīng)分析與實(shí)踐[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2022（6）：195-200.

[13]王健男，時(shí)賀龍，闕振業(yè)，等.基于合成孔徑超聲成像技術(shù)的混凝土腐蝕檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)， 2023（8）：24-29.

[14]汪隆臻，張文亮，趙騫，等.基于混凝土缺陷超聲檢測(cè)的合成孔徑聚焦成像[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2024（3）：463-472.

[15]張健，王奉飛，潘永東，等.雙面疊合剪力墻的陣列超聲成像檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)， 2023（12）：63-67.

[16]朱紅武.相控陣超聲成像法在混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)（中英文）， 2024（9）：90-94.