地質(zhì)雷達與沖擊彈性波在隧道二襯脫空無損檢測中的對比分析

張遠軍，雷彤彤，羅技明

(四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，成都610045)

地質(zhì)雷達與沖擊彈性波在隧道二襯脫空無損檢測中的對比分析

張遠軍，雷彤彤，羅技明

(四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，成都610045)

隧道二襯脫空危害越來越為業(yè)內(nèi)熟知，除了必要的防治措施，無損檢測也及其重要。文章對目前常用的隧道二襯脫空無損檢測技術(shù)地質(zhì)雷達和沖擊彈性波原理進行了總結(jié)分析，通過實際應用對比，總結(jié)了兩者之間的異同，異同雖多但無法相互取代，沖擊彈性波法和地質(zhì)雷達法兩種方法各有所長，可取長補短。在工程實際測試中，采用多種方法相結(jié)合，對測試對象進行綜合評價將是必然的趨勢。

地質(zhì)雷達；沖擊彈性波；無損檢測

引言

隧道二次襯砌背后存在脫空將直接影響隧道的安全性能。目前國內(nèi)的隧道施工初期支護只是起到臨時的封閉作用，當初支收斂無法穩(wěn)定時，一般緊跟施工做二襯補救，這也是實際工程中遵循的一個施工原則。所以二襯的作用就不僅僅是安全儲備，相反承載著較大的圍巖松散壓力。鑒于此，對于襯砌背后脫空檢測就顯得尤其重要。目前常用方法分為破壞性檢測和無損檢測[1]。破壞性檢測，如鉆孔檢查法屬于傳統(tǒng)的檢驗方法，特點是效率低，偶然性大，代表性差，而且破壞了襯砌的整體性。無損檢測法如地質(zhì)雷達法和沖擊彈性波法，特點是連續(xù)、高效、無損，具有分辨率高、圖像直觀、對場地條件要求低等優(yōu)點。

無損檢測較之破壞性檢測，具有更廣泛的適用性，已然成為現(xiàn)代工程檢測、工程事故檢測與分析的重要工具，可快速準確地找出隧道二次襯砌質(zhì)量隱患，檢測結(jié)果更具有代表性。本文通過對隧道二襯脫空危害及防治措施調(diào)查，指出無損檢測方法的優(yōu)越性，并對地質(zhì)雷達法和沖擊彈性波法兩種無損檢測方法進行了對比分析，認為任何一種檢測技術(shù)都有其適用的條件和范圍。在以后的工程實際檢測中，不同無損檢測方法應相互協(xié)調(diào)補充，采用多種方法相結(jié)合，對測試對象進行綜合評價將是必然的趨勢。

1 二襯脫空危害及防治措施

1.1二襯脫空危害

二次襯砌脫空成因很多，有前序工序不到位，如初支面不平順，防水板掛設張弛度不適，拱架背后噴砼不密實等；有施工過程控制不當，如泵送混凝土壓力不足，襯砌臺車底座支撐不牢固[2]，拆管過早等。無論什么原因形成的脫空都將危害到隧道的安全性能。

二次襯砌拱頂脫空時，拱部均為彎矩，即拱部上緣受拉，按常規(guī)配筋拱部上緣不配受力鋼筋，這就會使拱部上緣受拉開裂[3]，導致滲水和腐蝕鋼筋，進而使二次襯砌混凝土破壞。另一方面，二次襯砌拱頂脫空以后，圍巖失去應有的保護和支撐，可能使圍巖松弛和形變增大，進而導致圍巖失穩(wěn)，脫落破壞[4]，對隧道二襯脫空狀況及早檢測發(fā)現(xiàn)，及早進行防治處理，直接關系到隧道長期穩(wěn)定和使用功能的正常發(fā)揮。

1.2二襯脫空防治措施

隧道屬于地下隱蔽工程，一旦建成，存在的問題將很難發(fā)現(xiàn)和處理。因此，應根據(jù)二襯脫空的成因，及早采取有效的防治措施，避免出現(xiàn)質(zhì)量事故。

對于施工，應根據(jù)施工完成度，進行及時的檢查，對隱蔽施工內(nèi)容應采用合適的檢測手段，進行質(zhì)量評價，如初襯的密實性，應在防水板掛設前對噴射混凝土進行檢測[5]；如防水板掛設完成后，應托起防水板觀察其是否能與初襯面密貼?？傊?，及時發(fā)現(xiàn)施工缺陷，及時對施工工藝進行調(diào)整，方能最大限度的保證質(zhì)量。

對于施工過程控制不當，應采取有針對性的措施。如加強混凝土澆筑過程控制[6]。

(1)減小混凝土干縮徐變，保證泵送管到位并按序澆筑，確保振搗密實，應有專人監(jiān)管等。襯砌臺車應保證支墊穩(wěn)固，定期檢修，防止混凝土澆筑后被壓碎引起臺車下沉，或臺車屈服變形。

(2)鑒于脫空存在的危害性，加強施工管理，進行早期防治是非常有必要的，但僅此還不夠，采取有效的檢測手段，尤其是對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞的地質(zhì)雷達法和沖擊彈性波法對結(jié)構(gòu)進行全面檢測，確保隧道整體安全性也非常重要。

2 地質(zhì)雷達法

現(xiàn)階段，檢測隧道二襯脫空的手段較多，常見的有：視覺檢查；打聲法；地質(zhì)雷達；紅外熱成像等，國內(nèi)使用最廣泛的二襯脫空無損檢測方法是使用地質(zhì)雷達檢測。

地質(zhì)雷達所采用的方式是反射測量，它的工作原理是天線發(fā)射器將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，發(fā)射到介質(zhì)內(nèi)部，然后經(jīng)過存在電性差異的介質(zhì)層，雷達天線接收器接收一部分被反射折向地面的電磁能量，而另一部分能量被折射進入到下一層介質(zhì)后繼續(xù)傳播[7]，通過測得的反射波旅行時間及電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計算出反射面距離表面的距離。與此同時，根據(jù)接收到的反射波波形、振幅強度、時間變化和頻譜變化，就能夠推斷地下介質(zhì)的空間位置狀況、結(jié)構(gòu)形態(tài)等屬性。

地質(zhì)雷達原理如圖1所示，當發(fā)射天線和接收天線距離為x時，目標的深度為：

其中：V為介質(zhì)中的電磁波速度，T為測試反射時間。

圖1 地質(zhì)雷達原理示意圖

地質(zhì)雷達能夠較好地對隧道二襯厚度等做出較準確的檢測。但是在檢測過程中，由于探測精度與所取的波速有很大的關系，所以需要在檢測現(xiàn)場測取足夠多的測點來標定波速。而通常情況下，雷達波在混凝土中具有一定的離散性，這種離散性有時可達5%～10%，因此在注意波速測取時，可以將襯砌厚度的誤差限制在2 cm～4 cm的范圍內(nèi)。

3 沖擊彈性波法

沖擊彈性波法又可以分為振動法和沖擊回波法。其中振動法通過振動信號的持續(xù)時間、卓越周期、最大加速度等參數(shù)特性變化判定結(jié)構(gòu)的脫空狀況。該方法測試受空腔內(nèi)填充物、邊界條件等影響較大，從而使得振動法具有極大的局限性，如當空腔內(nèi)存在泥漿、碎渣等柔性材料時，其振動特征參數(shù)將反向變化；當結(jié)構(gòu)體積較大，厚度較厚時，難以振動，一般該方法更適用于表層或淺層脫空檢測。

沖擊回波法則是采用彈性波反射特性，通過阻抗差異對板狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀況進行檢測[8]，其測試深度與擊振能量等有關，目前一般可以達到80 cm以上，而二襯結(jié)構(gòu)厚度一般在40 cm～60 cm，在厚度上相對適用沖擊回波法檢測。

沖擊回波法使用沖擊錘沿二襯表面連續(xù)激發(fā)彈性波信號，當彈性波信號在結(jié)構(gòu)介質(zhì)中傳播時，遇到空洞、脫空面等疏松介質(zhì)時，其反映為機械阻抗(一般用z表示材料的機械阻抗，z=ρCA，這里的A是斷面截面積)的變化。在機械阻抗發(fā)生變化的界面上，傳播的彈性波會產(chǎn)生波的反射[9]，如圖2所示，阻抗差異越大反射信號能量越強，即當存在脫空時，絕大部分信號反射，并被傳感器接收；當不存在脫空時，由于二襯與初支阻抗差異相對小得多，反射信號很微弱，絕大部分信號發(fā)生透射，傳感器接收到的信號能量很微弱。根據(jù)反射信號(能量)的強弱，即可識別脫空的有無及深度位置。

圖2 沖擊回波法原理示意圖

4 工程實例

4.1工程概況

某鐵路專線進行隧道厚度及二襯脫空檢測，檢測長度為200 m，檢測同時使用沖擊彈性波檢測和地質(zhì)雷達檢測。

4.2測點布置

此次檢測地質(zhì)雷達共布置5條測線，分別為拱頂1條，拱腰2條以及邊墻2條，沖擊彈性波檢測共布置3條測線，分別為拱頂1條以及邊墻2條，且檢測間距為5 m一個測區(qū)，測區(qū)布置4×4網(wǎng)格，網(wǎng)格的行列間距為0.5 m。

4.3檢測結(jié)果

現(xiàn)場檢測，地質(zhì)雷達拱頂測線檢測結(jié)果顯示拱頂DK555+980位置存在脫空，但顯示脫空范圍較小，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達檢測結(jié)果圖

使用沖擊彈性波進行檢測同樣發(fā)現(xiàn)在隧道拱頂DK555+980位置存在脫空，其范圍為測試坐標中x軸0.9～1.5 m，y軸0～0.6 m，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 沖擊彈性波檢測結(jié)果圖

通過沖擊彈性波檢測發(fā)現(xiàn)脫空面積較大，為保證后期隧道安全，所以擴大布點范圍，由4×4改為8×15，且檢測網(wǎng)格點距為0.3 m，線距為0.6 m，測試結(jié)果如圖5所示，圖5中紅色部分為脫空位置，脫空面積較大。

圖5 沖擊彈性波檢測結(jié)果圖

4.4檢測結(jié)論

從擴大布點范圍測試結(jié)果可知，測試區(qū)域內(nèi)有較大面積存在脫空，后經(jīng)打孔驗證，測試結(jié)果與實際情況完全吻合(圖6、圖7)。

圖6 現(xiàn)場驗證

圖7 現(xiàn)場鉆孔卷尺測深

5 地質(zhì)雷達法與沖擊彈性波法對比

地質(zhì)雷達法[10]和沖擊彈性波法用于檢測隧道二襯脫空的原理基礎是一致的，同時都用到了信號(波)的反射特征，但兩者所用到的媒介有較大的差異。地質(zhì)雷達用的是高頻電磁波，頻率一般從十兆赫茲到數(shù)千兆赫茲，即其波長，而沖擊彈性波法用的是低頻聲波，頻率一般從數(shù)百赫茲到數(shù)千赫茲。正因如此，兩種方法既有共性也有差異(表1)[11]。

表1 地質(zhì)雷達法與沖擊彈性波法異同

由表1可知，兩種方法異同點較多，但又無法相互取代。如在二襯脫空檢測中，既需要較高的測試效率，又需要較高的位置判別精度，則需要兩種方法相結(jié)合。地質(zhì)雷達可用于快速地線性掃描[12]，對掃描段面做出快速的判定，對可能脫空的段面，可采用沖擊彈性波法進行平面掃描，通過處理生成掃描平面的二維等值線圖(圖4、圖5)，最終對脫空的具體位置，脫空范圍大小等做出準確的判定，并為后期處理提供較為可靠的參考依據(jù)。

現(xiàn)代隧道施工中鋼筋含量較高，除了較密集的鋼筋網(wǎng)外，還有工字鋼等。由于地質(zhì)雷達采用的是高頻電磁波[13]，采用介電系數(shù)表達其反射系數(shù)R為：

相對介電常數(shù)越小，則電磁波越容易穿透。而金屬的相對介電常數(shù)為無窮大，因而電磁波遇到混凝土中的鋼筋則全部反射，完全無法到達結(jié)構(gòu)底部，失去對脫空檢測的能力。

總之，地質(zhì)雷達法和沖擊彈性波法用于檢測隧道二襯脫空，各自都有其優(yōu)勢和不足之處，但兩者之間絕大部分是互補的，因此，在實際工程檢測中，應根據(jù)檢測需要選擇合適的測試方法，必要的時候應采用兩種或多種方法，進行相互彌補。

6 結(jié)論

(1)地質(zhì)雷達在二襯脫空檢測中是最常見的一種高效的檢測方法[14]，其顯著特點是測試快速高效，精準度高，具有一定的深度測試能力，其不足在于其受鋼筋、水等影響較大。

(2)地質(zhì)雷達對小缺陷的識別與其使用的天線有關，因此，采用地質(zhì)雷達進行脫空檢測時，應根據(jù)襯砌厚度、預計測試深度選擇合適的天線十分必要[15]。

(3)沖擊彈性波相對地質(zhì)雷達對鋼筋、水等不敏感，因此彈性波檢測基本不受鋼筋和水的影響，這一點彌補了地質(zhì)雷達的不足。

(4)沖擊彈性波檢測具有更廣泛的適用范圍，相對于地質(zhì)雷達的線性檢測，彈性波法能準確判定出脫空位置以及脫空面積，實現(xiàn)由線到面的檢測評價，相對于地質(zhì)雷達更具有直觀性。

(5)沖擊彈性波二襯脫空檢測就影響因素而言具有一定的優(yōu)勢，但相比地質(zhì)雷達檢測效率低，因此根據(jù)檢測條件和檢測要求，選擇合適的檢測方法十分必要。由于任何一種檢測技術(shù)都有其適用的條件和范圍，沖擊彈性波法和地質(zhì)雷達法兩種方法各有所長，可取長補短，在以后的工程實際測試中，采用多種方法相結(jié)合，對測試對象進行綜合評價將是必然的趨勢。

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ContrastAnalysisofGeologicalRadarandImpactElasticWaveintheTunnelTwoLinedVoidinNondestructiveDetection

ZHANGYuanjun,LEITongtong,LUOJiming

(Sichuan Extension Test Technology Limited by Share Ltd., Chengdu 610045, China)

Tunnel two lined void harm is becoming more and more well known in the industry, in addition to the necessary preventive measures, testing also appears to be important. In this paper, the commonly used tunneling nondestructive testing technology geological radar and the impact of elastic wave principle of the summary are analyzed, and then through the comparison in practical application, the similarities and differences of them are summed up. The results show that they are complementary, and can not replace each other. It is considered that the two methods of impact elastic wave method and geological radar method have their own advantages. In the future engineering practice, it is necessary to combine the various methods to evaluate the test object comprehensively.

ground penetrating radar; shock wave; nondestructive testing

TU459+.9

A

2017-06-16

四川省科技廳基金項目(2016GFW0137)

張遠軍(1982-)，男，四川南充人，主要從事土木工程無損監(jiān)測技術(shù)方面的研究，(E-mail)176144466@qq.com

1673-1549(2017)05-0069-05

10.11863/j.suse.2017.05.12