綜合物探在某水工隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

崔召，姜順龍，劉家偉，李春洪，張途

（云南勘中達(dá)巖土工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司 昆明 650225）

0 引言

在云南省某水庫(kù)工程施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于受到地質(zhì)條件、施工水平等因素的影響與制約，導(dǎo)流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質(zhì)量存在缺陷。一方面，在重力、施工荷載以及地下水等條件的影響下，隧洞洞室頂拱與圍巖接觸面容易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象或松動(dòng)帶。另一方面，由于施工技術(shù)水平的制約，如振搗不到位等因素的影響，容易造成隧洞洞室左右邊墻混凝土襯砌與圍巖接觸面出現(xiàn)脫空現(xiàn)象、混凝土襯砌內(nèi)部出現(xiàn)空洞、不密實(shí)等情況。為了確保導(dǎo)流、泄洪隧洞工程的質(zhì)量安全以及后續(xù)的運(yùn)行安全，同時(shí)為水庫(kù)工程竣工驗(yàn)收提供質(zhì)量評(píng)價(jià)，需采用有效的工程物探技術(shù)方法，對(duì)已建成的導(dǎo)流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，查明洞室混凝土襯砌存在的質(zhì)量缺陷，及時(shí)提出相應(yīng)的工程處理措施。

探地雷達(dá)是一種重要的工程物探技術(shù)方法，具有高效率、高分辨率、高精度的特點(diǎn)，同時(shí)探地雷達(dá)操作方便，作業(yè)連續(xù)性高等特點(diǎn)，也使得探地雷達(dá)在洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)、建基巖體質(zhì)量檢測(cè)等工程物探領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。鉆孔電視是另一種重要的工程物探技術(shù)方法，將攝像頭置于鉆孔中，對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行全程實(shí)時(shí)拍攝并記錄，具有系統(tǒng)集成度高、剖面實(shí)時(shí)自動(dòng)提取、孔深自動(dòng)校準(zhǔn)等特點(diǎn)，使得鉆孔電視在混凝土質(zhì)量檢測(cè)、灌漿效果檢測(cè)以及配合洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)等工程物探領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文以該工程項(xiàng)目為例，介紹了綜合探地雷達(dá)、鉆孔電視工程物探技術(shù)方法，對(duì)隧洞洞室混凝土襯砌開(kāi)展物探檢測(cè)工作，并將結(jié)果進(jìn)行分析研究，為今后水利水電工程物探檢測(cè)提供了參考數(shù)據(jù)。

1 工程物探原理與方法

1.1 探地雷達(dá)工作原理與方法

探地雷達(dá)的基本原理是利用高頻電磁波(1MHz~1GHz)，以脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線被定向地送入地下。雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)遇到存在電性差異的地下地層或目標(biāo)體時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，返回地面后由接收天線所接收。在對(duì)接收天線所接收到的雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波波形、強(qiáng)度、時(shí)間等推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性質(zhì)及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對(duì)地下地層或目標(biāo)體的探測(cè)[2]。探地雷達(dá)工作原理示意圖如圖1所示：

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，由于屏蔽天線中，發(fā)射天線與接收天線之間的距離相比于所要探測(cè)的目標(biāo)體的距離可以忽略不計(jì)，因此根據(jù)探地雷達(dá)所記錄的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差△T，即可根據(jù)下式計(jì)算出地下異?；蚰繕?biāo)體的埋藏深度H：

其中：H為埋藏深度，也稱為目標(biāo)層厚度；V為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度[3]。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

探地雷達(dá)的工作前提是探測(cè)對(duì)象或目標(biāo)體與周圍介質(zhì)間存在著明顯的電性差異，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率有關(guān)。介電常數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱物理量，它表征一種物質(zhì)在外加電場(chǎng)的情況下，儲(chǔ)存極化電荷的能力。介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)的界面，會(huì)引起電磁波的反射，反射波的強(qiáng)度與兩種介質(zhì)的介電常數(shù)及電導(dǎo)率的差異有關(guān)。磁導(dǎo)率是一個(gè)無(wú)量綱物理量，它表征介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁感應(yīng)能力的強(qiáng)弱。絕大多數(shù)工程介質(zhì)都是非鐵磁性物質(zhì)，磁導(dǎo)率都近似于1，對(duì)電磁波的傳播特性無(wú)重要影響。因此，可根據(jù)下式計(jì)算出電磁波在介質(zhì)中的傳播速度：

其中：C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；

ε為相對(duì)介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

1.2 鉆孔電視工作原理與方法

鉆孔電視的基本原理是全景攝像探頭進(jìn)入鉆孔，攝像光源照亮鉆孔孔壁上的攝像區(qū)域，孔壁圖像經(jīng)錐面反射鏡變換后形成全景圖像，全景圖像與羅盤(pán)方位圖像一并進(jìn)入攝像機(jī)。攝像機(jī)將攝取的圖像經(jīng)專用電纜傳輸至位于地面的視頻分配器中，一路進(jìn)入攝像機(jī)，記錄探測(cè)的全過(guò)程；另一路進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)的捕獲卡中進(jìn)行數(shù)字化。位于絞車上的測(cè)量輪實(shí)時(shí)測(cè)量探頭所處的位置，并通過(guò)接口板將深度值置于計(jì)算機(jī)內(nèi)的專用端口中，由深度值控制捕獲卡的捕獲方式。在連續(xù)捕獲方式下，全景圖像被快速地還原成平面展開(kāi)圖，并實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在靜止捕獲方式下，全景圖像被快速地存儲(chǔ)起來(lái)，用于現(xiàn)場(chǎng)的快速分析和室內(nèi)的統(tǒng)計(jì)分析，下降探頭直至整個(gè)探測(cè)過(guò)程結(jié)束[4]。鉆孔電視工作原理詳見(jiàn)圖2：

鉆孔電視由全景攝像探頭、圖像捕獲卡、深度脈沖發(fā)生器、計(jì)算機(jī)、錄像機(jī)、監(jiān)視器、絞車及專用電纜等組成。全景攝像探頭包括：錐面反射鏡、光源、磁性羅盤(pán)以及微型CCD攝像機(jī)。

鉆孔電視的關(guān)鍵技術(shù)是全景技術(shù)（截頭的錐面反射鏡）和數(shù)字技術(shù)（數(shù)字視頻和數(shù)字圖像）。全景技術(shù)實(shí)現(xiàn)了360°鉆孔孔壁的二維表示，疊加方位信息后形成的平面圖像稱為全景圖像；數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的數(shù)字化，通過(guò)全景圖像的逆變換算法，還原真實(shí)的鉆孔孔壁，形成鉆孔孔壁的數(shù)字柱狀圖像[5]。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本論文所研究的某水庫(kù)樞紐工程位于云南省境內(nèi)，水庫(kù)樞紐工程由大壩、導(dǎo)流泄洪隧洞、溢洪道及輸水隧洞等組成，大壩為粘土心墻風(fēng)化料石渣壩，最大壩高59.3m。樞紐工程主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，溢洪道、泄洪隧洞、輸水隧洞為3級(jí)建筑物，其中泄洪隧洞與導(dǎo)流隧洞全結(jié)合，布置在大壩左岸，工作閘門(mén)后為圓拱直墻形無(wú)壓隧洞，無(wú)壓洞身段斷面尺寸為4.5m×6.5m，軸線全長(zhǎng)為383.5m，其中洞身段長(zhǎng)323.5m。

2.2 探地雷達(dá)測(cè)線布置及參數(shù)設(shè)置

探地雷達(dá)檢測(cè)導(dǎo)流、泄洪隧洞無(wú)壓洞身段洞室混凝土襯砌質(zhì)量的測(cè)線布置，結(jié)合無(wú)壓洞身段實(shí)際情況，在該隧洞的頂拱以及左、右邊墻部位共布置四條探地雷達(dá)徑向測(cè)線。為了進(jìn)一步確定洞室混凝土襯砌與圍巖接觸面的脫空缺陷，對(duì)徑向測(cè)線所檢測(cè)出來(lái)的脫空位置進(jìn)行了加密檢測(cè)，針對(duì)脫空位置布置環(huán)向測(cè)線，探地雷達(dá)測(cè)線布置示意圖詳見(jiàn)圖3。

圖3 探地雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

由于水利水電工程隧洞內(nèi)的檢測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜，隧洞內(nèi)的電線電纜、金屬物件以及鋼管腳手架等都會(huì)對(duì)探地雷達(dá)的檢測(cè)作業(yè)產(chǎn)生一定的干擾。因此，洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)通常采用屏蔽天線。本次探地雷達(dá)檢測(cè)所使用設(shè)備為意大利IDS公司生產(chǎn)的RISK2型探地雷達(dá)。該探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由K2型探地雷達(dá)雙通道主機(jī)、天線和處理軟件三部分組成，使用400MHz屏蔽天線進(jìn)行物探檢測(cè)。

在物探檢測(cè)過(guò)程中，屏蔽天線與洞室混凝土襯砌表面緊密貼合，同時(shí)沿著測(cè)線勻速前行[6]，探地雷達(dá)以寬頻帶短脈沖的形式向襯砌混凝土內(nèi)部發(fā)射電磁波[7]，進(jìn)行連續(xù)、快速采集工作。探地雷達(dá)工作參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1。

2.3 鉆孔電視測(cè)區(qū)布置

鉆孔電視測(cè)區(qū)布置，結(jié)合探地雷達(dá)圖像成果，選擇洞室混凝土襯砌脫空特征點(diǎn)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，使用鉆孔電視開(kāi)展物探檢測(cè)工作。在鉆孔進(jìn)行充分清洗后，鉆孔電視在干孔中直接進(jìn)行物探檢測(cè)。所選取的鉆孔點(diǎn)為探地雷達(dá)圖像所呈現(xiàn)的兩個(gè)脫空范圍較大的特征點(diǎn)，分別為左邊墻，樁號(hào)DX0+152.40m以及右邊墻，樁號(hào)DX0+159.10m，鉆孔位置布置詳見(jiàn)圖4所示。

表1 探地雷達(dá)工作參數(shù)設(shè)置表

圖4 鉆孔位置布置示意圖

鉆孔電視物探檢測(cè)使用的儀器為JL-IDOI(C)智能三維鉆孔電視成像儀，深度計(jì)數(shù)器用來(lái)記錄探頭在鉆孔內(nèi)行進(jìn)的深度，探頭內(nèi)帶LED發(fā)光二極管和攝像機(jī)，用來(lái)攝取孔壁圖像，獲得的視頻信號(hào)通過(guò)專用電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)接收到深度計(jì)數(shù)器傳來(lái)的深度脈沖信號(hào)和探頭傳來(lái)的視頻信號(hào)，計(jì)算探頭所在的位置，主機(jī)將鉆孔內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)行成像和視頻錄制。鉆孔電視對(duì)鉆孔中拍攝的孔壁圖像進(jìn)行分析，根據(jù)所生成孔壁的數(shù)字柱狀圖像分析判斷鉆孔內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象[8]。

2.4 檢測(cè)結(jié)果

2.4.1探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

該工程導(dǎo)流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)探地雷達(dá)圖像是采用GresWin2軟件處理之后得到的，左邊墻洞室混凝土襯砌徑向測(cè)線探地雷達(dá)圖像詳見(jiàn)圖5，左邊墻質(zhì)量缺陷為洞室混凝土與圍巖接觸面的脫空，表2列出了左邊墻洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

右邊墻洞室混凝土襯砌徑向測(cè)線探地雷達(dá)圖像詳見(jiàn)圖6，右邊墻質(zhì)量缺陷為洞室混凝土與圍巖接觸面的脫空，表3列出了右邊墻洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

圖5 DX0+151.40~DX0+154.20探地雷達(dá)圖像

表2 左邊墻洞室混凝土襯砌脫空檢測(cè)結(jié)果表

圖6 DX0+157.70~DX0+160.70探地雷達(dá)圖像

表3 右邊墻洞室混凝土襯砌脫空檢測(cè)結(jié)果表

為了更進(jìn)一步確定洞室混凝土襯砌脫空情況的結(jié)構(gòu)、埋藏深度，針對(duì)徑向測(cè)線所檢測(cè)出來(lái)的脫空位置布置環(huán)向測(cè)線，對(duì)左、右邊墻洞室混凝土襯砌進(jìn)行加密檢測(cè)，加密檢測(cè)探地雷達(dá)圖像詳見(jiàn)圖7，加密檢測(cè)探地雷達(dá)工作參數(shù)設(shè)置如表4所示。

2.4.2鉆孔電視檢測(cè)結(jié)果

為復(fù)核探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，鉆孔電視采用DSP圖像采集處理系統(tǒng)得到的洞室混凝土襯砌與圍巖接觸面的脫空?qǐng)D像詳見(jiàn)圖8，表5列出了洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

2.5 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

圖7 洞室混凝土襯砌質(zhì)量加密檢測(cè)探地雷達(dá)圖像

表4 加密檢測(cè)探地雷達(dá)工作參數(shù)設(shè)置表

通過(guò)對(duì)該工程導(dǎo)流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌的質(zhì)量采用探地雷達(dá)、鉆孔電視兩種工程物探方法進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)[9]，兩種工程物探方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表6所示。

由表6可以看出，探地雷達(dá)、鉆孔電視兩種工程物探方法檢測(cè)隧洞洞室混凝土襯砌脫空結(jié)果存在一定的符合性。在同樣的樁號(hào)位置，兩種工程物探技術(shù)方法均檢測(cè)出脫空現(xiàn)象，但是探地雷達(dá)所檢測(cè)到的脫空距離表面深度相比于鉆孔電視的檢測(cè)結(jié)果要大5%左右，探地雷達(dá)所檢測(cè)到的脫空深度相比于鉆孔電視的檢測(cè)結(jié)果存在20%~30%的偏差。

3 結(jié)論

圖8 洞室混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)鉆孔電視圖像

表5 洞室混凝土襯砌脫空情況鉆孔電視檢測(cè)結(jié)果表

表6 探地雷達(dá)與鉆孔電視檢測(cè)洞室混凝土襯砌脫空結(jié)果對(duì)比表

綜上基于探地雷達(dá)、鉆孔電視的工作原理與檢測(cè)方法，利用兩種工程物探技術(shù)方法對(duì)某水庫(kù)工程導(dǎo)流、泄洪隧洞洞室混凝土襯砌質(zhì)量進(jìn)行的物探檢測(cè)。兩種方法的檢測(cè)結(jié)果表明探地雷達(dá)、鉆孔電視兩種工程物探檢測(cè)結(jié)果在脫空深度方面雖然存在一定的差異性，但是探地雷達(dá)檢測(cè)效率高，對(duì)洞室混凝土襯砌無(wú)破壞作用，同時(shí)檢測(cè)工作周期短。鉆孔電視可以在探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)工程質(zhì)量缺陷進(jìn)行鉆孔作業(yè)，開(kāi)展精確檢測(cè)，一方面可復(fù)核探地雷達(dá)的檢測(cè)結(jié)果，另一方面可充分發(fā)揮工程物探檢測(cè)技術(shù)在水利水電工程中的優(yōu)勢(shì)和潛力[10]。此研究成果為該水庫(kù)工程導(dǎo)流、泄洪隧洞工程質(zhì)量評(píng)價(jià)以及洞室混凝土襯砌缺陷處理提供了重要依據(jù)，同時(shí)也為今后水利水電工程物探檢測(cè)提供了一定的理論與技術(shù)支持。

（本文為云南省混凝土協(xié)會(huì)推薦）