物探技術(shù)在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

徐 濤，曾永軍，張建清，嚴(yán) 俊

(1.長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010；2.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司黔中分公司，貴州 六盤水 553000)

1 概述

隧洞襯砌作為“新奧法”施工隧道中的主要承載結(jié)構(gòu)，對(duì)于維持隧道的安全施工和長(zhǎng)效運(yùn)行具有極其重要的作用。由于施工過程中人員操作不當(dāng)、質(zhì)量控制不嚴(yán)等因素影響，可能會(huì)造成襯砌質(zhì)量問題，給隧洞安全帶來隱患。因此，對(duì)已施工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題并進(jìn)行處理，避免重大安全事故發(fā)生尤為重要。

早期襯砌結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)采用鉆芯法，其具有成果直觀、可靠度高的特點(diǎn)，但由于鉆孔取芯對(duì)隧道襯砌支護(hù)系統(tǒng)具有一定破壞性，而難以進(jìn)行大批量抽樣檢測(cè)，少量成果難以反映隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。以探地雷達(dá)為主的無損探測(cè)技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、效率高、對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷等特點(diǎn)，在隧洞襯砌檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[2- 5]。近年來隨著超聲檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，超聲波反射成像以其分辨率高、指向性好、反應(yīng)靈敏、精度高的特點(diǎn)，在混凝土檢測(cè)中取得了很好的應(yīng)用效果[6- 9]。

目前超聲橫波反射成像技術(shù)在大體積混凝土質(zhì)量檢測(cè)中開展了大量研究[9]，但在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)該研究相對(duì)較少，文中采用陣列超聲橫波反射成像和探地雷達(dá)等地球物理探測(cè)方法相結(jié)合，對(duì)引水隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了無損檢測(cè)，并采用鉆芯法進(jìn)行了成果驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明采用綜合方法獲得的無損檢測(cè)成果準(zhǔn)確全面地反映了隧洞襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際情況。

2 檢測(cè)原理與方法

2.1 超聲橫波反射成像技術(shù)

(1)檢測(cè)原理

超聲橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直的一種彈性波，在傳播橫波時(shí)物體中質(zhì)點(diǎn)要產(chǎn)生剪切變形，由于液體和氣體中無剪切彈性，因此，橫波只能在固體中傳播，所以當(dāng)超聲橫波在傳播過程中遇到固體-液體界面或者固體-氣體界面等波阻界面時(shí)，不能發(fā)生透射而在該界面處發(fā)生全反射。

超聲橫波反射成像基本原理是超聲橫波在混凝土中傳播時(shí)遇到了波阻抗有差異的物體，如鋼筋、水體、空洞或欠密實(shí)區(qū)域等，就會(huì)發(fā)生反射。檢測(cè)時(shí)用換能器將超聲橫波脈沖發(fā)射到襯砌結(jié)構(gòu)中，再利用換能器接收反射脈沖，通過反射波信息來判斷隧洞襯砌結(jié)構(gòu)中是否存在反射界面(體)，然后結(jié)合隧洞設(shè)計(jì)施工結(jié)構(gòu)對(duì)比，排除鋼筋等內(nèi)部構(gòu)件反射信息后，判斷襯砌結(jié)構(gòu)質(zhì)量情況。

(2)技術(shù)方法

超聲橫波反射成像法利用陣列超聲橫波反射成像儀，該儀器采用干耦合式單晶DPC換能器陣列發(fā)射和接收超聲橫波，采用合成孔徑聚焦技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理和圖像重建。該換能器陣列由4×12共48道DPC傳感器組成如圖1所示，每個(gè)傳感器既可作為發(fā)射換能器，也可作為接收換能器。工作時(shí)采集控制單元依次將每一列4個(gè)傳感器作為發(fā)射換能器，其他列傳感器作為接收換能器，直至前11列都作過發(fā)射器，單次采集結(jié)束；然后移至下一點(diǎn)繼續(xù)采集如圖2所示。最后將單點(diǎn)采集成果組合成測(cè)線方向連續(xù)二維斷面成果。

圖1 DPC換能器陣列

圖2 橫波全波束路徑示意圖

2.2 探地雷達(dá)掃描技術(shù)原理與方法

(1)檢測(cè)原理

混凝土襯砌與隧洞初級(jí)支護(hù)及圍巖之間存在脫空時(shí)，與兩者結(jié)合密實(shí)時(shí)表現(xiàn)出明顯不同的物性差異。脫空形成的混凝土-空氣界面與其他混凝土襯砌結(jié)合密實(shí)部位存在較大的電性差異，這為采用電磁波法探測(cè)提供了良好的地球物理?xiàng)l件。當(dāng)采用探地雷達(dá)發(fā)送調(diào)頻脈沖電磁波，電磁波以寬頻帶、短脈沖形式定向射入探測(cè)面板區(qū)域內(nèi)部，經(jīng)存在電性差異的混凝土-空氣界面反射回波被探地雷達(dá)接收，通過記錄分析反射波到達(dá)時(shí)間t、反射波幅值等參數(shù)來研究被探測(cè)介質(zhì)的分布和特性。

(2)技術(shù)方法

探地雷達(dá)測(cè)量方式一般分為剖面法和寬角法兩種。剖面法是發(fā)射天線T和接收天線R以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式，得到結(jié)果是時(shí)間剖面圖，由于天線間距一般很小，故可認(rèn)為是自激自收時(shí)間剖面。寬角法是將發(fā)射天線固定在地面某點(diǎn)不動(dòng)，而將接收天線沿測(cè)線移動(dòng)，記錄目標(biāo)體內(nèi)各個(gè)不同界面反射波的雙程走時(shí)的測(cè)量方法，工作中一般采用剖面法進(jìn)行連續(xù)或密集點(diǎn)采樣。一般地，地層的電磁波速度是已知的，或采用寬角法測(cè)量得到。因此，采用剖面方法記錄下電磁波旅行時(shí)t，即可求得目標(biāo)層厚度或目標(biāo)體埋深。

探地雷達(dá)成果圖像的解釋，是依據(jù)反射波的強(qiáng)度，波形變化及其反射波同相軸的連續(xù)性等特征來判斷混凝土與墊層結(jié)合處的情況。

3 工程應(yīng)用

某水利工程是一座以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主、兼顧發(fā)電綜合性大型水利樞紐工程，主要由水源工程、供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程等組成。輸水渠道總長(zhǎng)約800km，分為輸水干渠和支渠。本次隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)工作在輸水干渠進(jìn)行，設(shè)計(jì)開挖半徑3m，襯砌混凝土設(shè)計(jì)厚度400mm，鋼筋保護(hù)層厚度50mm。

3.1 檢測(cè)工作布置

在隧洞拱頂沿水流方向布置3條測(cè)線，測(cè)線編號(hào)GD1、GL1、GR1，其中GD1位于頂拱中心線上，GL1和GR1位于中心線左右兩側(cè)，距離拱頂中心測(cè)線距離弧長(zhǎng)各1.5m；同時(shí)在軸向測(cè)線樁號(hào)3m、6m、9m處分別布置拱頂橫斷面測(cè)線，測(cè)線編號(hào)H3、H6、H9，測(cè)線沿拱頂橫斷面圓弧長(zhǎng)度4m，橫斷面測(cè)線中心位置與拱頂中心測(cè)線相交，左右弧長(zhǎng)各2m，測(cè)線布置如圖3所示。超聲橫波反射成像采集點(diǎn)距20cm，工作頻率40～50kHz；探地雷達(dá)天線頻率400MHz和900MHz，發(fā)射率100kHz，探測(cè)方式為連續(xù)掃測(cè)。

圖3 測(cè)線剖面布置示意圖

3.2 檢測(cè)成果分析

3.2.1超聲橫波反射成像成果分析

表層鋼筋及第二層鋼筋反應(yīng)明顯，鋼筋位置清晰；在埋深40～60cm范圍出現(xiàn)局部連續(xù)橫波強(qiáng)反射界面。查閱設(shè)計(jì)及施工資料，該段襯砌混凝土設(shè)計(jì)厚度40cm，排除排水板等干擾后，推斷該界面為二次襯砌混凝土上底界面，成果推斷如下：

(1)隧洞襯砌混凝土厚度范圍35～60cm。

(2)鋼筋保護(hù)層厚度變化范圍4～15cm，平均厚度9cm；鋼筋間距變化范圍16～21cm，平均間距20cm；鋼筋排距21～28cm，平均排距26cm。

圖4 北干渠2標(biāo)段軸向測(cè)線檢測(cè)典型成果圖

圖5 北干渠4標(biāo)段軸向測(cè)線檢測(cè)典型成果圖

(3)二次襯砌混凝土與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在脫空。

3.2.2探地雷達(dá)掃描成果分析

900MHz天線雷達(dá)成果圖中可見連續(xù)且規(guī)則雙曲線反射信號(hào)，曲率半徑較小，且第一層反射信號(hào)振幅較強(qiáng)，第二層相對(duì)較弱，可判斷為襯砌混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)蓪愉摻罘磻?yīng)。兩層鋼筋后電磁波信號(hào)衰減嚴(yán)重，無有效探測(cè)信息。

400MHz天線雷達(dá)成果圖中基本能反應(yīng)鋼筋位置，但顯示分辨率相對(duì)較差；同時(shí)在埋深45～60cm范圍見電磁波異常反射界面，推斷可能為二次襯砌混凝土上底界面與初期支護(hù)間存在脫空，或初期支護(hù)背后存在空洞。如圖4—5所示。

3.3 鉆孔驗(yàn)證

為驗(yàn)證檢測(cè)成果，選取北干渠兩個(gè)標(biāo)段進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證工作。其中在北干第2標(biāo)段布置鉆孔4個(gè)；在北干第4標(biāo)段布置鉆孔4個(gè)。鉆孔位置主要選取檢測(cè)成果中推斷無脫空、輕微脫空以及嚴(yán)重脫空三種部位，采用高清孔內(nèi)攝像觀測(cè)孔內(nèi)情況。結(jié)果表明8個(gè)鉆孔驗(yàn)證情況均與檢測(cè)成果高度吻合，現(xiàn)選取三個(gè)典型鉆孔驗(yàn)證成果如圖6—9所示，成果分析見表1。

圖6 鉆孔BZK4驗(yàn)證成果圖

圖7 鉆孔BZK5驗(yàn)證成果圖

表1 鉆孔驗(yàn)證成果匯總表

圖8 鉆孔BZK6驗(yàn)證超聲橫波反射成果圖

圖9 鉆孔BZK6驗(yàn)證探地雷達(dá)成果圖

4 結(jié)論

結(jié)合隧洞襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合采用陣列超聲橫波反射成像和探地雷達(dá)掃描等物探技術(shù)對(duì)引水隧洞混凝土襯砌質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)，取得了理想的檢測(cè)效果。通過鉆孔驗(yàn)證進(jìn)一步證明了技術(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性。通過上述應(yīng)用研究得到幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)超聲橫波反射成像探測(cè)，對(duì)混凝土襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)及上底界面脫空反應(yīng)清晰、靈敏度高，信息量大，成果分辨率及探測(cè)精度比探地雷達(dá)要高；同時(shí)可根據(jù)橫波反射信號(hào)強(qiáng)弱來判斷混凝土界面膠結(jié)程度，對(duì)指導(dǎo)后期灌漿加固處理具有重要意義。

(2)探地雷達(dá)用于隧洞襯砌探測(cè)過程中，采用900MHz天線，能清晰反應(yīng)襯砌混凝土內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)，但由于鋼筋對(duì)電磁波吸收作用，穿透兩層鋼筋后電磁波能量損耗較大，鋼筋層后部結(jié)構(gòu)信息不明；采用400MHz天線獲得深部信息更加豐富，因此，采用組合天線能更好滿足隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)需要。

(3)由于橫波遇連續(xù)波阻抗界面幾乎全反射，當(dāng)襯砌與初支間存在脫空時(shí)，橫波無法穿透該結(jié)構(gòu)，無法探測(cè)到脫空后初期支護(hù)及圍巖情況；而電磁波穿透性強(qiáng)，在電性差異界面僅部分能量反射，剩余電磁波可穿透該界面，到達(dá)界面以下結(jié)構(gòu)，從而可探測(cè)初期支護(hù)后圍巖結(jié)構(gòu)情況。因此將超聲橫波反射成像與探地雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，可以獲得更全面的隧洞襯砌質(zhì)量信息。