程仕峰，謝經(jīng)然

摘 要：以隧道工程作為研究對(duì)象，重點(diǎn)探究了隧道工程質(zhì)量檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)。以探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的基本理論作為切入點(diǎn)，引入理論總結(jié)和案例分析法，指出了隧道工程中無損檢測(cè)技術(shù)的具體應(yīng)用流程及注意事項(xiàng)，說明無損檢測(cè)技術(shù)特別是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。在各種規(guī)模及類型的隧道工程中，相關(guān)人員需合理利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，以評(píng)估隧道工程的結(jié)構(gòu)性能與質(zhì)量要求是否一致，從整體和細(xì)節(jié)角度發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷的類型、位置、形狀，為處理隧道工程質(zhì)量問題提供有效依據(jù)。在利用該技術(shù)進(jìn)行隧道工程質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，需結(jié)合實(shí)際情況選定地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備、技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化檢測(cè)路徑，以高質(zhì)量、高效率完成檢測(cè)任務(wù)，為實(shí)際工作提供有效參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程；無損檢測(cè)技術(shù)；質(zhì)量檢測(cè)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2024）05-0079-03

0 引言

隧道工程的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無論是施工建設(shè)還是后續(xù)檢測(cè)都面臨一定的難點(diǎn)。為評(píng)估隧道工程的質(zhì)量情況，有關(guān)人員必須合理利用無損檢測(cè)技術(shù)。隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)，能在非破損的條件下判定隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量缺陷、結(jié)構(gòu)安全，幫助相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道施工問題，采取更有針對(duì)性的解決措施。每一隧道工程都有各自的特征，在無損檢測(cè)過程中相關(guān)人員需立足實(shí)際，制定科學(xué)的無損檢測(cè)技術(shù)方案，發(fā)揮技術(shù)的效率、精度優(yōu)勢(shì)。

1 基本理論

無損檢測(cè)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，它不破壞被檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)或者基本性能，高效檢測(cè)下能得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)前超聲檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等均屬于無損檢測(cè)，這些檢測(cè)方法既能單獨(dú)使用，也可以兩種或兩種以上結(jié)合使用。

1.1 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)的主要構(gòu)成為發(fā)射天線、接收天線、信號(hào)處理器。雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)一旦物體界面有所變化，其傳播受阻，將出現(xiàn)明顯的反射、繞射現(xiàn)象。介質(zhì)介電特性、幾何形狀有所不同，雷達(dá)波的傳播路徑、速度、波形等也會(huì)發(fā)生顯著變化[1]。天線接收到反射波后，通過分析其往返時(shí)間、幅度與波形等基本信息，即可判定雷達(dá)波的傳播特點(diǎn)，進(jìn)而分析其傳播介質(zhì)的類型及變化。探地雷達(dá)的工作原理如圖1所示。圖1中X表示的是發(fā)射天線與接收天線的距離，單位為m，D表示的是被測(cè)物體的埋藏深度，單位為m。

1.2 電磁波傳播規(guī)律

為發(fā)揮探地雷達(dá)的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)判定質(zhì)量缺陷，需獲取雷達(dá)電磁波的傳播速度、時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有理論和實(shí)踐探究，計(jì)算公式如式（1）所示。

（1）

式中，v、c、εr分別為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度、電磁波在真空中的傳播速度、相對(duì)介電常數(shù)。

物質(zhì)界面上電磁波的反射系數(shù)與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)存在緊密聯(lián)系，其變化規(guī)律如式（2）所示。

（2）

式中，R、εr1、εr2分別為反射系數(shù)、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

自然界中的物質(zhì)種類繁多，每種物質(zhì)都有各自的相對(duì)介電常數(shù)，在清楚相對(duì)介電常數(shù)的前提下可直接判定物質(zhì)的類型。雷達(dá)波在每種介質(zhì)中都有各自的傳播特性，在特殊類型的介質(zhì)中傳播時(shí)雷達(dá)波傳播路徑、波形等存在顯著變化。當(dāng)獲得傳播特性后，即可判定傳播介質(zhì)的具體情況，從而判定介質(zhì)是否有變化或者存在其他情況。

針對(duì)隧道工程項(xiàng)目，考慮到其結(jié)構(gòu)特殊性，在利用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)雷達(dá)波一般需經(jīng)歷多種介質(zhì)，如圍巖、襯砌混凝土、鋼拱架、鋼筋。

1.2.1 混凝土

隧道結(jié)構(gòu)中襯砌，可細(xì)分為初支、二襯，核心材料為混凝土。施工建設(shè)中為達(dá)到結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，施工人員應(yīng)在特定的配合比下充分混合水泥、水等材料，將形成的混合物振搗攪拌，以使混凝土密實(shí)度基本符合施工要求。當(dāng)襯砌混凝土施工良好，無質(zhì)量缺陷時(shí)，雷達(dá)波在此介質(zhì)中傳播時(shí)得到的圖像穩(wěn)定且連續(xù)；但如混凝土施工不規(guī)范，存在結(jié)構(gòu)缺陷，雷達(dá)波圖像在局部缺陷位置將無明顯規(guī)律[2]。

1.2.2 鋼筋與鋼拱架

襯砌結(jié)構(gòu)中也有鋼筋和鋼拱架介質(zhì)，當(dāng)雷達(dá)波穿越這些介質(zhì)時(shí)，基本可保持良好的傳播狀態(tài)，幾乎無衰變問題。但如雷達(dá)波穿越襯砌混凝土、鋼筋與鋼構(gòu)架的交界面，其傳播路徑將發(fā)生變化，主要存在反射現(xiàn)象。通過專業(yè)接收裝置可全面分析雷達(dá)波的傳播過程，并可將繪制出雷達(dá)剖面圖，便于結(jié)合圖像結(jié)果來分析交界面位置或者其他異常情況。

1.2.3 圍巖

隧道工程質(zhì)量應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)時(shí)，也需要分析雷達(dá)波穿越圍巖時(shí)的情況。在工程現(xiàn)場(chǎng)圍巖無明顯的規(guī)律性，局部位置可能因其他干擾因素，影響信號(hào)的反饋。混凝土、圍巖的相對(duì)介電常數(shù)不同，在雷達(dá)剖面圖中可清晰呈現(xiàn)這一差異，而利用這一差異性即可確定襯砌厚度。

2 案例分析

2.1 工程概況

某隧道工程項(xiàng)目，總體上屬分離式隧道，間距30 m，右線起訖樁號(hào)為K119+730～K120+685，總長(zhǎng)0.955 km。本項(xiàng)目地形地質(zhì)條件復(fù)雜，主要位于低山丘陵地段， 多分布有大量形態(tài)不規(guī)則、高低各異的山體。

項(xiàng)目前期階段，有關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開了一系列勘測(cè)，發(fā)現(xiàn)此處多為中風(fēng)化板巖，巖體破碎嚴(yán)重，易出現(xiàn)坍塌風(fēng)險(xiǎn)。伴隨著施工作業(yè)的持續(xù)開展，洞室出現(xiàn)滲漏水的幾率較高，影響了正常的施工作業(yè)?？紤]到本項(xiàng)目的實(shí)施要求，初期支護(hù)采用12～26 cm C25噴射混凝土，初期支護(hù)采用無鋼拱架結(jié)構(gòu)，或者也可采用間距為0.5～1.2 m的鋼拱架結(jié)構(gòu)體系。二次襯砌厚度為0.4～0.5 m，采用的是C30標(biāo)號(hào)的混凝土。

2.2 選擇檢測(cè)設(shè)備

綜合考慮隧道工程的結(jié)構(gòu)特征，為得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果，選用的是PLT600型探地雷達(dá)。

2.3 布設(shè)隧道測(cè)線

本隧道工程的檢測(cè)對(duì)象為襯砌，正式檢測(cè)之前相關(guān)人員需全面了解隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境特征等，在此前提下制定最優(yōu)的檢測(cè)計(jì)劃，其中應(yīng)包含檢測(cè)方法、技術(shù)路徑、設(shè)備配置等基本情況。為獲得高精度的檢測(cè)結(jié)果，首要工作是布置測(cè)線，總共布設(shè)5條檢測(cè)線，分別位于隧道左邊墻、右邊墻、左拱腰、右拱腰、拱頂[3]。

2.4 采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

2.4.1 設(shè)置參數(shù)

探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)中，技術(shù)參數(shù)是影響檢測(cè)精度的重要方面。針對(duì)本隧道工程中的檢測(cè)任務(wù)，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注掃描速度、脈沖重復(fù)頻率、道間距等。相關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后，為獲得完整和準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，需按照以下要求設(shè)定參數(shù)：掃描速度＞800掃/s，脈沖重復(fù)頻率為160 MHz，時(shí)窗為263 ns，道間距為0.02 m，波速為100 m/μs。

2.4.2 操作要點(diǎn)

檢測(cè)工作開始之前，主管人員需合理安排相關(guān)人員的工作任務(wù)，向這些人員傳授基本的操作要求，使人員熟悉探地雷達(dá)檢測(cè)規(guī)范，并細(xì)分這些檢測(cè)人員的工作任務(wù)。

探地雷達(dá)極高的檢測(cè)要求，相關(guān)人員必須了解天線的前進(jìn)方向、天線與被檢測(cè)襯砌混凝土面應(yīng)直接接觸。檢測(cè)人員之間需加強(qiáng)配合，嚴(yán)格執(zhí)行檢測(cè)規(guī)范。天線操作人員不僅要根據(jù)要求來操作天線，更需要與其他崗位人員高度配合，促進(jìn)檢測(cè)工作的順利開展并同步記錄數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生異常情況，則需要進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，以免問題處理不及時(shí)影響檢測(cè)進(jìn)程。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)線數(shù)量為5條，技術(shù)人員需準(zhǔn)確掌握每一條檢測(cè)線的具體位置及其周邊情況，記錄關(guān)鍵參數(shù)。

2.5 地質(zhì)雷達(dá)波形分析

2.5.1 數(shù)據(jù)處理分析

經(jīng)過探地雷達(dá)檢測(cè)得到的雷達(dá)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播特性，介質(zhì)吸收電磁波，會(huì)造成反射信號(hào)的逐步衰減，一旦電磁波傳播期間介質(zhì)的均勻性不足，設(shè)置伴隨著漫反射現(xiàn)象。針對(duì)上述問題，為獲得相對(duì)準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)保留全部的反射波，記錄反射的電磁波有效信號(hào)、干擾信號(hào)。數(shù)據(jù)處理的終極目標(biāo)為消除其中的干擾信號(hào)，以得到有效分布波形圖，方便相關(guān)人員在得到此圖形后能深入分析隧道襯砌的質(zhì)量情況[4]。

本次探地雷達(dá)所選擇的設(shè)備，在處理數(shù)據(jù)時(shí)需配套R(shí)eflexw后處理軟件，為此需按照以下步驟完成濾波處理：①去直流漂移、去除零漂。②切除其中的直達(dá)波，確定被測(cè)介質(zhì)表面。③對(duì)所獲取的深部信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，以方便相關(guān)人員更為清晰地辨認(rèn)。④去除水平信號(hào)干擾。⑤去除高頻和低頻信號(hào)，篩選出其中的可用信號(hào)。⑥剔除毛刺噪聲干擾，進(jìn)入圖像平滑處理階段。

2.5.2 典型雷達(dá)圖像分析

Reflexw后處理軟件具有多種功能，在基本的檢測(cè)任務(wù)結(jié)束后，此軟件能全面分析雷達(dá)波形圖像，從中提取出關(guān)鍵信息。具體處理過程中需增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，去除其中各種類型及來源的干擾信息，用處理后的圖形來評(píng)估襯砌結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

本隧道工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，直接采取一般的分析方式無法得到有效的結(jié)論，為此在處理圖像、分析結(jié)果期間相關(guān)人員也需要考慮地形干擾。大量的理論分析與實(shí)踐探究結(jié)果顯示，混凝土密實(shí)度、鋼筋分布等對(duì)襯砌檢測(cè)過程的影響較大?；炷撩軐?shí)程度、鋼筋分布與反射信號(hào)的幅度有關(guān)，如襯砌結(jié)構(gòu)中局部位置鋼筋分布、混凝土密實(shí)程度等與施工要求不一致，此處的波形圖將存在突變現(xiàn)象。

2.5.2.1 空洞與脫空

在隧道工程中，空洞與脫空為相對(duì)常見的質(zhì)量問題，表現(xiàn)為隧道二次襯砌、初期支護(hù)之間或者初期支護(hù)與隧道圍巖間有縫隙等現(xiàn)象。結(jié)合大量的施工經(jīng)驗(yàn)，此現(xiàn)象的原因可能為：①二襯澆筑作業(yè)期間相關(guān)人員未執(zhí)行混凝土振搗作業(yè)，導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度不達(dá)標(biāo)。②防水板鋪設(shè)時(shí)未遵循鋪設(shè)要求，鋪設(shè)的平整度不符合要求，局部位置的防水板鼓起，襯砌澆筑期間易產(chǎn)生空洞。③隧道拱頂部位封閉窗口時(shí)，混凝土用量過少。④地下水持續(xù)侵蝕圍巖，長(zhǎng)期作用下部分圍巖區(qū)域有孔隙和空洞現(xiàn)象[5]。

在檢測(cè)空洞與脫空質(zhì)量缺陷時(shí)，雷達(dá)波在傳播過程中會(huì)遇到空氣、混凝土、圍巖等多種介質(zhì)。每種介質(zhì)都有其對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)，因?yàn)榻殡姵?shù)的差異，在隧道的空洞、脫空等位置經(jīng)常有空氣滲入。當(dāng)雷達(dá)電磁波在襯砌混凝土、空氣等介質(zhì)中傳播時(shí)，其反射信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，有關(guān)裝置可同步采集到相應(yīng)的信號(hào)。但如襯砌結(jié)構(gòu)中有空洞與脫空，電磁波信號(hào)在此位置將發(fā)生突變現(xiàn)象，裝置所接收到的圖像也會(huì)出現(xiàn)異常變化。通過分析圖像特征不僅可判定質(zhì)量缺陷的具體類型，還能定位缺陷，了解形狀等基本特點(diǎn)。

2.5.2.2 鋼筋、鋼拱架分布

襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)隧道穩(wěn)定與安全的影響較大。考慮到襯砌結(jié)構(gòu)性能規(guī)定，選擇了HRB400型鋼筋、工字鋼鋼拱架。這兩種鋼材的導(dǎo)電性能優(yōu)越，雷達(dá)電磁波傳播期間如經(jīng)歷這兩種介質(zhì)，反射信號(hào)強(qiáng)烈，在圖像中清晰可見。根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果，襯砌內(nèi)鋼筋雷達(dá)反射波呈連續(xù)分布狀態(tài)，即使存在一定變化，也表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性特征。鋼拱架雷達(dá)反射波波形分散，有關(guān)人員通過判定雷達(dá)波形情況，即可直觀分析襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋的分布位置、形態(tài)，判定鋼筋數(shù)量、間距等是否與施工要求相一致。

2.5.2.3 襯砌厚度

隧道襯砌施工中對(duì)厚度有嚴(yán)格規(guī)定，如襯砌厚度不符合施工要求，將增大隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，使工程投入使用后易出現(xiàn)安全事故。因此，隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中相關(guān)人員需檢測(cè)襯砌厚度，利用探地雷達(dá)技術(shù)測(cè)定襯砌厚度大小，將測(cè)定結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。

本工程項(xiàng)目中所選定的探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，在獲取了雷達(dá)波數(shù)據(jù)后，相關(guān)人員需采取合理化措施處理數(shù)據(jù)。此后利用Reflexw處理軟件“分析-拾取”命令拾取層操作，直接得到二次襯砌的厚度、初支與圍巖界限的相關(guān)信息。相關(guān)人員利用探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，可直接分析雷達(dá)波形圖形，據(jù)此判定二襯厚度。

如果隧道工程中素混凝土二襯中未布設(shè)鋼筋，圖像能清晰呈現(xiàn)二襯與初支之間的層間信號(hào)反射情況。再利用Reflexw處理軟件“分析-拾取”命令，即可篩選初二襯與初支之間的分界面，獲取二襯厚度值。如二襯結(jié)構(gòu)中布設(shè)有鋼筋，二襯鋼筋與初支鋼拱架之間的電磁波反射信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生一定干擾，難以清晰確定分界面，不利于獲取二襯厚度。為實(shí)現(xiàn)高效、清晰判定，相關(guān)人員需適當(dāng)放大圖像比例，從中選出強(qiáng)反射層位界面，以判定二襯厚度是否與施工要求相一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

探地雷達(dá)檢測(cè)是廣受關(guān)注的無損檢測(cè)技術(shù)，此技術(shù)在很多領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，特別是在隧道工程的質(zhì)量檢測(cè)中，該技術(shù)具有突出優(yōu)勢(shì)。未來有關(guān)人員需根據(jù)探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況，擴(kuò)大此技術(shù)的應(yīng)用范圍。

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