梁 鑫

（山東恒建工程監(jiān)理咨詢有限公司，山東 濰坊 261000）

隧道質(zhì)量檢測是隧道施工與竣工驗收的重要環(huán)節(jié)，對隧道質(zhì)量評價和安全狀態(tài)監(jiān)控都有重要意義，為避免檢測給隧道結(jié)構(gòu)造成的破壞及影響，時常采用無損檢測方法進行檢測，在不同的無損檢測技術(shù)中，又以地質(zhì)雷達較為常用。

1 工程概況

某路段分布3座隧道（記作1#-3#隧道），其總長約3.9 km，洞內(nèi)行車道的寬度為7 m，雙向雙車道，跨寬10.7 m，凈高7 m，限高5 m，2#隧道采用柱式洞門。該沿線隧道從正式投運到現(xiàn)在，產(chǎn)生很多裂縫和滲漏，雖然進行了維護整修，但滲漏情況越發(fā)嚴重。為正確且深入掌握隧道圍巖與其結(jié)構(gòu)，確定導(dǎo)致病害發(fā)生的具體原因，并對隧道運行狀況進行科學(xué)評估，需引入無損檢測技術(shù)。本次主要采用的無損檢測技術(shù)為地質(zhì)雷達。以下結(jié)合該隧道群實際情況，對其質(zhì)量檢測過程中無損檢測技術(shù)具體應(yīng)用進行分析。

2 無損檢測技術(shù)概述——以地質(zhì)雷達為例

地質(zhì)雷達主要由以下幾部分構(gòu)成：其一，便攜式主機；其二，收發(fā)天線；其三，綜合控制電纜；其四，測量輪（選配）；其五，電瓶；六，數(shù)據(jù)采集與處理軟件。地質(zhì)雷達的工作原理為：借助高頻脈沖電磁波對混凝土與其下伏介質(zhì)實際分布狀態(tài)進行探測，是現(xiàn)階段常用的無損檢測技術(shù)之一，發(fā)射機產(chǎn)生的高頻電磁波經(jīng)天線發(fā)射至目標混凝土中，同時由接收機對介質(zhì)反射的電磁波進行接收，同時充分考慮電磁波傳播過程中由于介質(zhì)自身電磁性發(fā)生變化或介質(zhì)自身幾何形狀發(fā)生變化引起的相位變化、回波能量波動及波形改變，進而采用計算機與濾波程序采集、處理所有反射波，根據(jù)反射波的波形、運行時間與回波能量分布情況確定地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，提供準確可靠的質(zhì)量檢測成果，為下一步工作的決策提供可靠參考。

地質(zhì)雷達主機應(yīng)滿足以下技術(shù)指標要求：①系統(tǒng)增益應(yīng)達到150 dB以上；②信噪比達到60 dB以上；③采樣間隔不能超過0.5 ns，且A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換要達到16位以上；④計時誤差不超過1 ns；⑤可實現(xiàn)點測及連續(xù)測量，同時在連續(xù)測量過程中掃描速率應(yīng)達到64次/s以上；⑥具有可選的信號疊加、實時濾波、時窗、增益、點測與連續(xù)測量、手動與自動位置標記功能；⑦可在現(xiàn)場實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、動態(tài)檢測和顯示。

地質(zhì)雷達應(yīng)滿足以下各項要求：①探測體厚度應(yīng)達到天線有效波長25%以上；②探測體寬度或兩個相鄰的探測體可分辨最小間隔距離應(yīng)達到探測天線有效波第一聶菲爾帶半徑以上；③測線通過的表面應(yīng)保持平緩，且沒有障礙存在，以免影響天線正常移動；④遠離高電導(dǎo)屏蔽層；⑤地質(zhì)雷達天線支持多種天線組合形式，但要滿足以下要求：具備良好的屏蔽功能、探測深度需達到2 m以上、垂直方向分辨率需達到2 cm以上。

3 基于地質(zhì)雷達的隧道質(zhì)量檢測工作存在的問題與解決措施

目前，地質(zhì)雷達已經(jīng)在隧道檢測領(lǐng)域得到很多影響，但這不代表這項檢測技術(shù)在隧道檢測領(lǐng)域的實際應(yīng)用不會受到影響，反而有很多因素會給檢測造成影響，導(dǎo)致檢測過程或結(jié)果出現(xiàn)不同問題，這些問題主要包含以下幾個方面：

（1）原理方面：因地質(zhì)雷達檢測以電磁波為主要原理，所以確定適宜的介電常數(shù)是采用地質(zhì)雷達進行檢測和后期數(shù)據(jù)處理過程的一個重要影響因素，和隧道有關(guān)的常見介質(zhì)包括空氣、純水、混凝土、粘土和凝灰?guī)r，其主要物性參數(shù)為：①空氣：電導(dǎo)率為0，相對介電常數(shù)為1，速度為0.3 m/ns，衰減系數(shù)為0；②純水：電導(dǎo)率在1.0×10-3~3.0×10-2sm范圍內(nèi)，相對介電常數(shù)為81，速度為0.033 m/ns，衰減系數(shù)為0.1 dB·m-1；③混凝土：電導(dǎo)率為1.0×10-7sm，相對介電常數(shù)為6.4，速度為0.12 m/ns，衰減系數(shù)在0.03~1 dB·m-1范圍內(nèi)；④粘土：電導(dǎo)率在0.1~1 sm范圍內(nèi)，相對介電常數(shù)在8~10范圍內(nèi)，速度為0.06 m/ns，衰減系數(shù)在1~100 dB·m-1范圍內(nèi)；⑤凝灰?guī)r：電導(dǎo)率為4.0×10-6sm，相對介電常數(shù)為6，速度為0.12 m/ns，衰減系數(shù)在0.4~1 dB·m-1范圍內(nèi)。電磁波傳播過程中會受到鐵質(zhì)媒介很大影響，而隧道中存在很多鐵質(zhì)媒介，包括電纜、臺車、鋼筋和管件，所以這必然會對檢測造成影響。

（2）操作方面：①采用地質(zhì)雷達對隧道初期支護進行檢測時，因初期支護表面未能達到平整，導(dǎo)致檢測過程中里程記錄存在誤差，進而導(dǎo)致檢測結(jié)果誤判；②天線操作人員未經(jīng)過嚴格的培訓(xùn)，無法進行規(guī)范操作，導(dǎo)致檢測結(jié)果產(chǎn)生明顯誤差；③現(xiàn)場檢測過程中，參數(shù)采集設(shè)置情況會對采集信號質(zhì)量造成影響；④檢測人員自身水平良莠不齊，對完全一致的檢測結(jié)果會給出不同的判讀結(jié)果。

針對以上采用地質(zhì)雷達進行檢測時存在的實際問題，充分考慮以往實踐經(jīng)驗，可采取以下措施加以解決和改進：

①在不同段落及施工階段，隧道襯砌結(jié)構(gòu)有不同介電常數(shù)，針對這一實際情況，即便同一座隧道，亦不可只采用一種介電常數(shù)來檢測，對在不同時期進行施工的段落，需分別做好現(xiàn)場標定，進而盡量減小誤差。②采用地質(zhì)雷達開展現(xiàn)場檢測工作的過程中，要做好現(xiàn)場環(huán)境記錄，這是確保后期數(shù)據(jù)處理準確性的關(guān)鍵所在。在實際工作中，需對所有可能影響到檢測的干擾進行記錄，包括照明裝置、車輛、人員與設(shè)備，注明這些干擾因素的位置以及和測線之間的距離。③現(xiàn)場檢測過程中，若存在表面平整度較差的段落，不可借助系統(tǒng)進行自動測距，而是要通過時間觸發(fā)完成數(shù)據(jù)采集，按照5 m的間隔距離采用手動方式做好標記，期間應(yīng)確保天線保持恒定勻速運行。④加強專業(yè)人員培訓(xùn)，安排專人負責(zé)天線操作，也可由專門的技術(shù)人員來操作。當(dāng)由技術(shù)人員負責(zé)操作時，所有操作人員必須經(jīng)過嚴格的培訓(xùn)，以確保操作可以達到規(guī)范，如果現(xiàn)場的操作人員已經(jīng)無法適應(yīng)檢測要求，應(yīng)立即換人，以免人為因素給檢測過程及結(jié)果造成不利影響。⑤采用模型試驗的方法進行反復(fù)驗證，并根據(jù)驗證結(jié)果持續(xù)優(yōu)化各項檢測參數(shù)。與此同時，在現(xiàn)場檢測過程中，還需針對不同目標及天線承載方式確定適宜的檢測參數(shù)。⑥采用預(yù)設(shè)缺陷模型使不同的缺陷都能在圖譜上得以直觀顯現(xiàn)，進而形成標準化圖譜，以此為現(xiàn)場檢測工作提供可靠指導(dǎo)。

4 基于地質(zhì)雷達的隧道質(zhì)量檢測步驟

4.1 現(xiàn)場采集準備

采用地質(zhì)雷達開展現(xiàn)場檢測工作之前，應(yīng)先做好下列各項準備工作：

①對待測目標的基本性質(zhì)與特點進行估計。②做好測線布置，對現(xiàn)場環(huán)境進行記錄，并據(jù)此確定適宜的雷達天線。③按照作業(yè)要求設(shè)置采集設(shè)備各項參數(shù)。④對介電常數(shù)予以嚴格的現(xiàn)場標定。⑤做好上述各項準備工作后開始正式檢測作業(yè)。

4.2 測線布置

（1）隧道質(zhì)量檢測方式主要為縱向布線，輔以必要的橫向布線?？v向布線具體位置為拱頂、拱腰、邊墻及底部，而橫向布線的位置和距離根據(jù)具體檢測內(nèi)容及要求確定，沒有特殊要求時，測線線距均按8~12 m控制，當(dāng)采用點測的方法時，單個斷面的測點數(shù)量需達到6個以上。另外，如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常地段，則需對測線或測點進行加密。

（2）在隧道竣工驗收過程中，同樣主要進行縱向布線，只有在必須的情況下才進行橫向布線。縱向布線具體位置包括拱頂、拱腰及邊墻，測線線距均按8~12 m控制，當(dāng)采用點測的方法時，單個斷面的測點數(shù)量需達到5個以上。當(dāng)需要通過檢測確定空洞范圍與規(guī)模大小時，需對測線與測點進行適當(dāng)?shù)募用堋?/p>

（3）對于三線隧道，需在拱頂處增設(shè)兩條測線，并在測線上按照5~10 m的間隔距離設(shè)置歷程標記。

4.3 介質(zhì)參數(shù)標定

檢測開始前需對襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)進行現(xiàn)場標定，每座隧道都要進行，且實測數(shù)量達到3次以上，將平均值作為最終的介電常數(shù)。對于長度超過3 km或襯砌結(jié)構(gòu)材料或?qū)嶋H含水率產(chǎn)生較大變化的隧道，需增加標定點的數(shù)量。具體的標定方法為：在厚度信息已知或材料和隧道已知的其他構(gòu)件上進行測量；在隧道的洞口或內(nèi)部不會受到來往車輛影響的部位采用直達波法進行測量；在必要的情況下可通過鉆孔實測加以驗證。

4.4 參數(shù)求取條件

（1）標定目標厚度需達到15 cm以上，同時厚度應(yīng)已知。（2）標定記錄中所有界面反射信號都必須清晰和準確。

4.5 標定結(jié)果計算

（1）介質(zhì)相對電導(dǎo)系數(shù)與電磁波速度可采用以下公式計算得出：

（2）參數(shù)采取如表1所示。

表1 不同圍巖條件下的電磁波波速

4.6 測量時窗確定

測量時窗長度與采樣率可采用以下公式計算得出：

不同檢測項目的天線頻率、待測厚度與時窗均不相同：①初支厚度檢測：天線頻率為800~1 000 MHz，待測厚度為5~30 cm，時窗為1.5~9 ns；②初支背后回填檢測：天線頻率為400~900 MHz，待測厚度大于30 cm，時窗大于9 ns；③二襯厚度檢測：天線頻率為400~900 MHz，待測厚度為30~60 cm，時窗為9~18 ns；④隔二襯檢測初支：天線頻率為300~500 MHz，待測厚度為35~90 cm，時窗為10.5~27 ns；⑤鋼架、鋼筋與預(yù)埋件分布與數(shù)量檢測：天線頻率為800~1 000 MHz，待測厚度為10~60 cm，時窗為3~18 ns，采用中、高頻率的天線能清晰反映出鋼架及鋼筋具體位置和分布情況，在數(shù)據(jù)采集過程中，時道間距應(yīng)控制在2 cm以內(nèi)。

4.7 探測深度確定

不同天線及其組合形式對應(yīng)的探測深度可采用以下公式計算得出：

式（5）中，dmax表示天線最大探測深度，單位：m；σ表示介質(zhì)電導(dǎo)率，單位：s/m；β表示介質(zhì)吸收系數(shù)。

4.8 掃描點數(shù)確定

掃描點數(shù)可采用以下公式計算得出：

縱向布線需進行連續(xù)測量，實際掃描速度應(yīng)達到64道（線）以上，對于特殊地段可進行點測，相鄰測量點之間的距離應(yīng)控制在20 cm以內(nèi)。

5 基于地質(zhì)雷達的隧道質(zhì)量檢測結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)雷達檢測結(jié)果，導(dǎo)致二襯產(chǎn)生空洞的原因為施工方未能正確理解設(shè)計意圖，設(shè)計要求采用新奧法進行施工，但現(xiàn)場卻未能按照這一方法進行，比如光面爆破效果較差，存在嚴重的超挖情況；未能按照要求實施觀測，在未能明確圍巖收斂情況的條件下直接進行二襯施工。除此之外，由于混凝土封頂較為困難，二襯施工時，因泵送壓力較低，加之混凝土自身流動性較差，受重力持續(xù)作用，導(dǎo)致拱頂處的混凝土未能達到飽滿，產(chǎn)生空洞。

6 結(jié)語

綜上所述，借助地質(zhì)雷達對隧道二襯結(jié)構(gòu)進行檢測，發(fā)現(xiàn)二襯病害為拱頂背后存在滲漏與空洞；通過進一步檢測發(fā)現(xiàn)，由于存在空洞，使二襯結(jié)構(gòu)受力不均，同時拱頂彎矩產(chǎn)生很大變化，使拱頂與拱腰均成為受力薄弱位置；當(dāng)拱頂背后存在較多空洞時應(yīng)盡快進行處理，確保二襯結(jié)構(gòu)處在可控狀態(tài)，保證隧道正常和安全運營。