無損檢測技術(shù)在隧道襯砌病害診斷中的應(yīng)用

摘要 為探究超聲波及探地雷達對隧道襯砌深層病害的檢測效果與各類病害的顯示特征，文章以某老舊運營隧道為例，開展了多種隧道常見病害的無損檢測試驗，分別對比超聲波與探地雷達的檢測效果，提出了各病害在不同檢測設(shè)備下的顯示特征及儀器適用性。現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，（1）探地雷達及超聲波均能有效檢測襯砌背后空腔；（2）探地雷達能夠識別開裂病害，但難以檢測裂縫深度；（3）使用探地雷達不僅能夠測量空洞位置，還能識別空洞深度。

關(guān)鍵詞 公路隧道；無損檢測；探地雷達；超聲波；現(xiàn)場測試

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0103-03

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，隧道建設(shè)進程的不斷推進，我國隧道從建設(shè)期逐步進入運營期[1-2]。大量既有隧道病害開始逐步顯現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，超過80%運營10年以上的老舊隧道均存在隧道病害問題[3]，約30%以上存在結(jié)構(gòu)破損問題需要修補加固[4]。由于隧道支護為隱蔽工程，普通人工檢測手段難以探出深層病害，而鉆孔取芯等方法又會造成結(jié)構(gòu)破壞。目前，無損檢測手段成為隧道檢測的主流[5-6]。

隧道無損檢測是在不損害或不影響隧道使用功能的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常所引起的聲、光、熱、電、磁等反應(yīng)的變化，檢查結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的狀態(tài)及缺陷。其中，探地雷達及超聲波等檢測方法以其快速、高效等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于隧道的無損檢測[7-8]。

目前雖然眾多學者采用探地雷達技術(shù)對一系列病害特征進行了模型正演和模擬測試[9-10]，但其研究對象均為理想狀態(tài)，而隧道現(xiàn)場情況往往更為復(fù)雜，因此仍需進行進一步的現(xiàn)場測試，驗證無損檢測方法的可靠性。超聲波檢測法是近年來逐步發(fā)展成熟的內(nèi)部缺陷檢測方法，主要通過波速及波幅異常點推測構(gòu)件可能存在的缺陷位置。田建行[11]通過超聲波幅值法，判斷了鋼筋混凝土內(nèi)部的空洞位置及大?。粭罱ㄏ瞇12]運用超聲橫波層析成像技術(shù)對隧洞襯砌內(nèi)部缺陷進行了檢測，以評估襯砌內(nèi)部的缺陷狀態(tài)。此外，還有眾多學者運用超聲波成像技術(shù)對土木工程構(gòu)建進行檢測，證實了超聲波技術(shù)檢測構(gòu)建缺陷的可行性[13-16]。

然而，目前大多數(shù)研究僅依靠單種測試手段評估襯砌病害，很少進行多種檢測手段的結(jié)合，該文基于不同病害的檢測結(jié)果對比，分別提出超聲波和探地雷達無損檢測方法的適用性。因此，該文針對某老舊運營隧道的多種病害，分別運用超聲波和探地雷達兩種檢測方法，對比各病害的檢測圖像，提出不同設(shè)備在不同病害下的顯示特征，為工程無損檢測方法的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 探地雷達與超聲波

1.1 探地雷達檢測原理

探地雷達檢測原理主要基于電磁波發(fā)射、傳播、反射和接收特性，如圖1所示，電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。根據(jù)接收波的波形、幅度與雙程走時，推斷結(jié)構(gòu)物內(nèi)部缺陷及尺寸大小。

圖1 探地雷達檢測原理示意圖

隧道中混凝土介電常數(shù)通常為6～9 F/m，空氣和水介電常數(shù)分別為1 F/m和81 F/m。介電常數(shù)的差異是導致電磁波反射的主要原因，因此在不同材料的交界處，電磁波易發(fā)生反射現(xiàn)象，介電常數(shù)差異越大則反射越強烈。此次探地雷達檢測設(shè)備為IDS RIS系列探地雷達，配套TR 900天線，天線頻率為900 MHz，測點間距為

0.01 m，采樣率為512樣/掃描。

1.2 探地雷達檢測流程

由于實際工程難以探查驗證缺陷的真實分布情況，因此使用無損檢測手段必須按照標準化流程及規(guī)范操作，以確保檢測結(jié)果的準確性和可靠性。以下為探地雷達檢測流程。

使用前準備工作：

（1）儀器使用前，須檢查儀器各連接端口的狀態(tài)，確保各組成部件的可靠連接，并在使用前及使用過程中及時檢查雷達供電電瓶的工作情況。

（2）根據(jù)檢測需求，選定所使用的雷達天線型號。通常，在檢測隧道初支或二襯厚度及鋼筋分布時，宜選用TR900天線；竣工驗收時對整體隧道結(jié)構(gòu)進行檢測

時，宜選用TR900+TR400天線同時檢測。

（3）連接測距輪，確認測距輪是否正常運行，并確保主機能夠收到雷達信號。

探地雷達檢測：

（1）清掃測區(qū)表面，要求測區(qū)表面無浮塵或積水。

（2）開啟主機測試軟件，選擇天線類型并設(shè)置增益。

（3）開始測量，同時移動探地雷達天線及測距輪，保持移動速度一致，切勿逆向滑移。

（4）根據(jù)現(xiàn)場情況修改時窗值，時窗值的設(shè)置參考：目標深度（m）×20=時窗（ns）。

（5）保存文件，檢查數(shù)據(jù)文件及設(shè)備狀態(tài)，進入下一測區(qū)時，重復(fù)如上所述進行操作。

1.3 超聲波檢測原理

與電磁波類似，當一束聲波射入兩種不同介質(zhì)的交界面時，聲波會發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，該現(xiàn)象是超聲波檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的基礎(chǔ)。聲波反射強度主要取決于介質(zhì)間聲阻抗的差異，常見C30混凝土聲阻抗為8.97 Pa·m-2s-1，

而空氣和水的聲阻抗分別為0.000 4 Pa·m-2s-1和1.48 Pa·m-2s-1，因此超聲波檢測混凝土后空腔將更具優(yōu)勢。

此次使用的超聲波儀器為俄羅斯ACSA1040 MIRA 3D混凝土三維超聲波成像儀。該儀器通過合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）對數(shù)據(jù)進行編制和處理，將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像信息，以不同的亮度、顏色或灰度表征構(gòu)件內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)和特性，最終可呈現(xiàn)出構(gòu)件的三維可視化掃描圖像，同時可查看各切面狀態(tài)。超聲斷層成像結(jié)合陣列式干耦合技術(shù)，與傳統(tǒng)的單發(fā)單收超聲檢測相比，采用多發(fā)多收的工作方式在檢測時可不用涂抹耦合劑。

檢測時將參數(shù)設(shè)置為波速2 500 m/s，模擬增益19 dB，數(shù)字增益16 dB。

1.4 超聲波檢測流程

超聲波檢測流程如下：

（1）確定超聲波斷層掃描儀工作方式。對被側(cè)面任意位置進行測試時，應(yīng)選擇局部測試；對被測物某區(qū)域進行全面檢測時，應(yīng)選擇連續(xù)測試。

（2）清理被測物表面。清除會干擾低頻超聲波穿透的表面物質(zhì)。

（3）進行初步測試。根據(jù)超聲波檢測結(jié)果，設(shè)置檢測深度、數(shù)字增益、模擬增益、波速及工作頻率；其中，在有標準試塊的情況下，可通過試塊厚度及超聲波反射結(jié)果調(diào)整出準確的波速，而在沒有標準試塊的條件下，可運用自動波速校準方式確定被測物的波速。

（4）創(chuàng)建掃描計劃并標記被測物表面。在連續(xù)掃描時，提前設(shè)置固定步距的測量點位。

（5）測試并保存聲波結(jié)果。

2 無損檢測結(jié)果

分別使用超聲波和探地雷達對隧道無病害及滲水、開裂、空洞病害處進行檢測，結(jié)果如下：

2.1 干燥無明顯病害處

對隧道洞壁干燥且無明顯病害的斷面?zhèn)葔M行檢測，結(jié)果顯示，雷達圖無明顯規(guī)律和特殊線條，聲波圖可以清楚地看到淺層的鋼筋和格柵鋼架，鋼筋下方無明顯反射，說明混凝土澆筑質(zhì)量較好，二襯與止水板、初襯之間貼合緊密。

2.2 滲水處識別

隧道中某斷面右側(cè)滲水嚴重，斷面內(nèi)已開設(shè)多處泄壓孔，泄壓孔泄水情況如圖2所示，水流呈噴射狀，水壓極大。

圖2 滲水處泄壓孔

上述情況通常是由于襯砌與圍巖結(jié)合面不緊密，形成了滲水通道，因此分別對該斷面的拱腰及側(cè)墻處進行檢測。

圖2所示的泄壓口位于隧道拱腰處。探地雷達及超聲波檢測圖像均在該處出現(xiàn)異常，探地雷達圖在0.5m深度處出現(xiàn)異常線條，表明該處介質(zhì)可能不連續(xù)，超聲波也在0.5 m深度處出現(xiàn)強烈反射。在此處鉆孔取芯（如圖3所示）后發(fā)現(xiàn)，在0.52 m深度處的止水板與初襯中間夾雜著泥沙，說明探地雷達及超聲波能夠有效地檢測出襯砌外環(huán)積水，同時產(chǎn)生強反射，因為水壓將止水板與初襯中間的界面撐開，并且將泥沙帶入。與探地雷達檢測圖相比，超聲波檢測結(jié)果更加直觀，病害處反射更加明顯。

圖3 鉆孔取芯結(jié)果

滲水處側(cè)墻檢測結(jié)果顯示，雷達圖與聲波圖均在一定深度處出現(xiàn)明顯反射，且線條形狀、走向均一致，兩設(shè)備互相印證。僅在深度方向上，雷達圖與聲波圖出現(xiàn)幾厘米的差異，這是由于在檢測前現(xiàn)場沒有標準試塊進行標定，設(shè)備測試時的參數(shù)設(shè)置均使用經(jīng)驗值，差異由此產(chǎn)生。

結(jié)合拱腰鉆孔結(jié)果及現(xiàn)場情況，可以推斷此處出現(xiàn)異常原因如下：襯砌背后存在較大水壓，使得止水板與初襯之間脫空。

2.3 開裂識別

對隧道明顯開裂處進行檢測，使用探地雷達檢測裂縫時，探地雷達圖在40～50 cm深度處出現(xiàn)“^”形線條；超聲波則無明顯反射現(xiàn)象，也無明顯開裂特征識別。根據(jù)鉆孔結(jié)果，該裂縫為垂直于測量面的裂縫，探入孔中測量裂縫深度為11 cm左右，因此兩設(shè)備均無法探測垂直裂縫深度。

2.4 空洞識別

隧道存在一個肉眼可見空洞，如圖4所示，該處襯砌僅有一層薄木板，木板后為空洞，襯砌厚度嚴重不足。在空洞處使用探地雷達進行掃描，結(jié)果顯示該段襯砌在中間約1 m的寬度范圍內(nèi)，厚度僅有幾厘米；在1 m的寬度范圍外，襯砌厚度才逐漸增大至15～20 cm，但襯砌厚度依然不足。

將雷達圖增加對比度后，在約20 cm位置處出現(xiàn)強反射，該反射顯示為空洞深度。現(xiàn)場檢測報告顯示，該空洞范圍為1.3 m×1 m，空洞深度為23.2 cm，襯厚度最薄處為8 mm。在此測量路徑上，探地雷達測出的空洞區(qū)域約為1 m，空洞深度約20 cm，與現(xiàn)場檢測報告相吻合，說明探地雷達能夠準確地識別空洞及其范圍。

圖4 滲水處泄壓孔

3 結(jié)論

為了評價探地雷達和超聲波對各類病害檢測的適用性及準確性，對隧道現(xiàn)場各類病害進行了檢測，并將探地雷達及超聲波檢測圖進行了對比印證，得出以下結(jié)論：

（1）當襯砌與圍巖貼合緊密時，探地雷達及超聲波檢測不會出現(xiàn)界面的強烈反射情況，當襯砌與圍巖間存在空洞時，兩設(shè)備均能有效檢測并識別其深度。

（2）在常規(guī)病害檢測中，超聲波檢測結(jié)果更加直觀，病害識別更明顯。

（3）對于垂直于被側(cè)面的開裂病害，超聲波難以探測，探地雷達則會出現(xiàn)“^”形線條，但仍無法準確識別裂縫深度。

（4）在檢測較大空洞時，可通過提高超聲波圖像對比度識別空洞深度。

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