FCTEM60-1型瞬變電磁儀在隧道仰拱鋼筋施作情況檢測中的應(yīng)用*

季洪偉，劉秋卓，袁 超，李 科

招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067

仰拱是公路隧道的重要組成部分，也是隧道整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，可用于改善隧道上部支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力條件，通常設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)中。隧道仰拱是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分，它可以將隧道上部的地層壓力通過隧道的邊墻結(jié)構(gòu)或者路面上的荷載有效傳遞到地下，同時(shí)還能有效抵抗隧道下部地層傳來的反向壓力。隧道仰拱與二次襯砌所構(gòu)成的隧道整體，增加了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但在實(shí)際的工程建設(shè)中，技術(shù)人員往往由于對(duì)仰拱的認(rèn)知和重視程度不足，對(duì)隧址區(qū)的地質(zhì)條件不夠了解，造成隧道仰拱結(jié)構(gòu)存在各類型缺陷，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、路面沉陷或隆起、開裂、翻漿冒泥等多種病害，因此對(duì)隧道仰拱進(jìn)行無損檢測工作格外重要，可以幫助建設(shè)單位控制仰拱施工質(zhì)量，保障隧道運(yùn)營安全，節(jié)約因病害處治工作產(chǎn)生的養(yǎng)護(hù)成本。

目前工程上通常采用地質(zhì)雷達(dá)方法對(duì)隧道仰拱進(jìn)行檢測。大量事實(shí)證明，地質(zhì)雷達(dá)的檢測效果往往受現(xiàn)場情況及仰拱自身設(shè)計(jì)參數(shù)的影響較大，并且由于地質(zhì)雷達(dá)采用電磁波原理的技術(shù)特性，雖然有不同頻率的天線可供選擇，但其探測深度與分辨率互相制約，高分辨率的電磁波在仰拱淺部損耗嚴(yán)重，而低頻電磁波雖然穿透深度大，但分辨率不高。這就造成了檢測人員在使用雷達(dá)進(jìn)行仰拱質(zhì)量檢測時(shí)，當(dāng)遇到仰拱深度較深，或者淺部回填層部分虛渣較多的情況時(shí)，感應(yīng)電磁波在淺部的損耗過大，無法正確判斷仰拱結(jié)構(gòu)中鋼筋的施作情況，也無法達(dá)到仰拱質(zhì)量無損檢測的根本目的。

文章以隧道仰拱結(jié)構(gòu)中的鋼筋施作情況檢測為研究背景，采用瞬變電磁法對(duì)隧道仰拱結(jié)構(gòu)中的鋼筋施作情況進(jìn)行檢測，以此彌補(bǔ)既有檢測方法中的不足，提高仰拱質(zhì)量檢測工作的可靠性。

1 瞬變電磁法

1.1 基本原理

瞬變電磁法（TEM）屬于時(shí)間域人工源電磁方法，是以大地中巖（礦）石的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性為物性前提，根據(jù)電磁感應(yīng)原理觀測、研究電磁場空間和時(shí)間分布規(guī)律，以尋找地下良導(dǎo)礦體或解決相關(guān)地質(zhì)問題的一種勘察方法。該方法以不接地回線或接地長導(dǎo)線供以雙極性脈沖電流產(chǎn)生激發(fā)電磁場，激發(fā)電磁場隨時(shí)間產(chǎn)生的電場強(qiáng)度如圖1所示。在該電磁場的激勵(lì)下，導(dǎo)電地質(zhì)體受感應(yīng)而產(chǎn)生渦旋電流。由于導(dǎo)電地質(zhì)體是非線性的，脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場立即消失，而渦流并不立即消失，有一個(gè)瞬變過程，這個(gè)過程的快慢與導(dǎo)體的電性參數(shù)有關(guān)。地質(zhì)體的導(dǎo)電性越好，渦流的熱耗損越小，瞬變過程則越長。這種渦流瞬變過程，在空間形成相應(yīng)的瞬變磁場如圖2所示，脈沖電流關(guān)斷期間在地面觀測瞬變磁場及觀測二次磁場可發(fā)現(xiàn)地下異常地質(zhì)體的存在，從而確定地下導(dǎo)體的電性結(jié)構(gòu)和空間分布形態(tài)。一次電場產(chǎn)生渦流并形成瞬變電磁場過程示意圖如圖3所示。

圖1 激發(fā)電磁場隨時(shí)間產(chǎn)生的電場強(qiáng)度

圖2 接受線圈觀測到的二次感應(yīng)磁場

圖3 一次電場產(chǎn)生渦流并形成瞬變電磁場過程示意圖

1.2 傳統(tǒng)方法存在的技術(shù)缺陷

根據(jù)瞬變電磁法的理論依據(jù)，該方法原理上可以實(shí)現(xiàn)近地表的勘探工作，但是目前國內(nèi)外的儀器主要針對(duì)礦產(chǎn)勘探，均存在一定的關(guān)斷時(shí)間，存在淺層勘探盲區(qū)。由于發(fā)射電路的關(guān)斷時(shí)間通常會(huì)有幾十微秒到幾百微秒，造成接收裝置所測量的瞬變電磁信號(hào)在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)受到其發(fā)射電流的影響，從而使結(jié)果產(chǎn)生畸變，不能用于解釋。因此，實(shí)際探測工作中，檢測人員會(huì)舍棄這段畸變的早期信號(hào)，只記錄徹底關(guān)斷之后的晚期信號(hào)，這就限制了淺層探測能力，使得探測存在盲區(qū)。

1.3 瞬變電磁方法新技術(shù)的介紹

該研究采用的是重慶大學(xué)研究開發(fā)的FCTEM60-1型瞬變電磁儀，該儀器在系統(tǒng)操作性能、高速關(guān)斷技術(shù)、高動(dòng)態(tài)信號(hào)采集、GPS同步控制、有源磁探頭設(shè)計(jì)等方面都有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢。特別是該儀器的恒壓鉗位高速關(guān)斷技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)射電路框如圖4所示，發(fā)射電路的組成部分包括全橋電路、鉗位電路、直流穩(wěn)壓電源。在脈沖電流輸出時(shí)，全橋電路進(jìn)行正向供電，同時(shí)停止鉗位電路的工作，負(fù)載電壓等于供電電源的電壓；而在停止供電時(shí)，鉗位電路發(fā)揮其作用，使負(fù)載電壓等于鉗位電壓源的電壓，此時(shí)負(fù)載電流線性下降。在此次試驗(yàn)中，采用的發(fā)射電流為60A，發(fā)射線圈直徑為45cm，發(fā)射線圈匝數(shù)為24匝，關(guān)斷延時(shí)為70μs。

圖4 恒壓鉗位發(fā)射電路框圖

2 隧道仰拱質(zhì)量檢測工程現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 工程現(xiàn)場試驗(yàn)情況概述

該工程位于重慶市區(qū)，在某隧道的洞口進(jìn)入段和隧道內(nèi)部分別選取42m和32m進(jìn)行測量，按照點(diǎn)測的方式，每隔2m進(jìn)行一次測量，對(duì)比隧道入口和內(nèi)部地下仰拱鋼筋的分布情況。

第一次試驗(yàn)測線1的俯視圖如圖5所示，試驗(yàn)儀器在洞外檢測測線長度為16m，在洞內(nèi)檢測測線長度為26m。之所以此次試驗(yàn)要在洞外與洞內(nèi)各檢測一段，是因?yàn)樗沧冸姶欧椒ù嬖谌臻g和半空間兩種不同的情況，在全空間中，因?yàn)樗淼缆访嫔戏酵瑯訉儆谒淼赖慕Y(jié)構(gòu)物，所以需要了解上方結(jié)構(gòu)物對(duì)試驗(yàn)檢測過程的影響，從而判定試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)現(xiàn)場測線1起始處現(xiàn)場圖如圖6所示。

圖5 測線1俯視圖

圖6 測線1起始處現(xiàn)場圖

測線2的俯視圖如圖7所示，測線經(jīng)過了有仰拱的段落16m，無仰拱的段落14m，圖中陰影區(qū)域位置為地面少量積水區(qū)域，測線2經(jīng)過的降塵霧炮機(jī)現(xiàn)場位置圖如圖8所示。

圖7 測線2俯視圖

圖8 測線2經(jīng)過的降塵霧炮機(jī)現(xiàn)場位置圖

2.2 工程現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中，測線1長度為42m，沿測線方向每隔2m為一個(gè)測點(diǎn)，共測得22個(gè)點(diǎn)。測線2長度為30m，沿測線方向每隔2m為一個(gè)測點(diǎn)，共測得16個(gè)點(diǎn)。測線1成像圖如圖9所示。

圖9 測線1成像圖

由于測線1前半段（測點(diǎn)1～8）分布在隧道洞口前方的橋上，其底部為軌道交通高架橋且深度較淺，表現(xiàn)為局部低阻。后半段（測點(diǎn)9～22）為隧道進(jìn)入段且底部無鋼筋，表現(xiàn)為高阻，表層視電阻率在2000Ω·m以上。

測線2成像圖如圖10所示，由圖10可知，前半段（測點(diǎn)1～9）在隧道正洞內(nèi)測量，底部有鋼筋，且有仰拱。后半段（測點(diǎn)10～16）也在隧道內(nèi)測量，沒有仰拱，但路面鋪設(shè)有鋼板，且后半段測量過程中有一降塵霧炮機(jī)一直處于工作狀態(tài)，導(dǎo)致空氣中有大量水霧，且地表含水豐富，對(duì)測量的影響較大，因此其視電阻率相對(duì)于前半段較低。從綜合測線1后半段（底部無鋼筋）和測線2前半段（底部有鋼筋）來看，測線2前半段的表層視電阻率在1600Ω·m左右，相對(duì)于測線1后半段的2100Ω·m仍然較小。

圖10 測線2成像圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在地下有低阻體與無低阻體兩種情況下，視電阻率會(huì)表現(xiàn)出較大差別，且可實(shí)行淺部信息的分辨，符合隧道仰拱探測的技術(shù)要求。對(duì)于地下視電阻率較為均勻的地段，可推測地下鋼筋分布也較為連續(xù)，但對(duì)于地下鋼筋分布不均的情況，成像結(jié)果如何有待進(jìn)一步驗(yàn)證。試驗(yàn)中隧道附近的風(fēng)機(jī)房、值班室等結(jié)構(gòu)物的存在對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果幾乎沒有影響，可見該方法對(duì)于隧道內(nèi)的檢測環(huán)境具有一定的適應(yīng)性，但對(duì)于過多干擾物的存在，其抗干擾能力還有待驗(yàn)證。通常運(yùn)營隧道的環(huán)境中干擾物較少，因此該試驗(yàn)中的仰拱結(jié)構(gòu)鋼筋檢測法具有一定的可行性。

3 結(jié)束語

由于瞬變電磁法探測的是導(dǎo)體內(nèi)渦流場的過渡過程，觀測是在脈沖間歇期間進(jìn)行的，不存在一次場源的干擾，同時(shí)通過開發(fā)者自主研發(fā)的弱感應(yīng)線圈技術(shù)，可在一定程度上消除線框自感互感效應(yīng)，使觀測參數(shù)幾乎為純二次場，是包括地質(zhì)雷達(dá)法在內(nèi)的各類型電磁勘探方法中唯一可采用同點(diǎn)裝置的方法，探測目標(biāo)耦合最緊，獲得的響應(yīng)最強(qiáng)，磁性源激發(fā)，不受接地條件限制。該方法非常適合在運(yùn)營隧道中的混凝土瀝青路面或水泥路面的無損勘探工作中應(yīng)用，且其非接觸式的勘探特點(diǎn)非常符合現(xiàn)代公路工程無損快速檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢，具有一定的前沿性。

該研究中基于FCTEM60-1型瞬變電磁儀的恒壓鉗位高速關(guān)斷技術(shù)的成功應(yīng)用，成功解決了傳統(tǒng)瞬變電磁方法中地下淺部盲區(qū)的問題，驗(yàn)證了瞬變電磁法在公路工程檢測工作中的適用性，利用其早期信號(hào)的解讀可充分分析淺層位置的視電阻率差異，且不會(huì)存在雷達(dá)探測時(shí)因電磁波頻率的不同，造成的探測精度與探測深度成反比的情況。綜上所述，該瞬變電磁儀不僅可以對(duì)公路隧道仰拱鋼筋施作情況進(jìn)行檢測，還能夠在公路工程無損檢測工作中發(fā)揮出更大的發(fā)展?jié)摿Γ瑤椭鉀Q更多的公路工程質(zhì)量檢測問題。