地質雷達無損檢測隧道襯砌質量試驗研究

□文/王 旭 張 新

我國已是世界上公路隧道里程最長、規(guī)模最大、發(fā)展最快的國家［1］。在建隧道需要對襯砌質量進行控制，運營隧道病害評價是隧道提質升級的前提，因此隧道襯砌檢測是隧道病害診斷的一項重要內容［2］。

地質雷達法常用于工程探測，但應用于隧道健康診斷還存在很多問題［3］。本文以隧道襯砌厚度為出發(fā)點和落腳點，在現有試驗室條件下，模擬2 類襯砌結構，從雷達天線頻率、防水板、混凝土齡期、襯砌鋼筋等4 個因素開展研究，綜合分析與襯砌混凝土介電常數相關的各因素對地質雷達法檢測的影響。

1 試驗方案設計

1.1 試件制作

共制作3 個試件。其中：2 個試件尺寸為130 cm×60 cm×40 cm，材料分別為鋼筋混凝土和普通混凝土（即素混凝土），定義為A型試件和B型試件：A型和B 型試件分別模擬隧道初支的鋼筋混凝土二襯結構和普通混凝土二襯結構；1 個板殼試件尺寸為65 cm×60 cm×10 cm，材料為普通混凝土，定義為C 型試件。復合式襯砌結構：（A+防水板+C）型試件模擬鋼筋混凝土二襯結構+初期支護，（B+防水板+C）型試件模擬普通混凝土二襯結構+初期支護。

以拌和站混凝土為基礎，按大體積混凝土配比，采用C30強度等級。水泥∶細集料∶粗集料∶水∶粉煤灰∶外加劑=291∶844∶1032∶160∶73∶2.548，水膠比0.44，砂率45%，粗集料摻配比（4.75～9.5 mm）∶（9.5～19 mm）∶（19～31.5 mm）=10∶60∶30。澆筑混凝土時采用振搗棒均勻振搗。所有試件拆模后，在側面涂抹防水油脂，使試件只有表面的水分蒸發(fā)，這與隧道襯砌結構表面的水分蒸發(fā)是一致的。

1.2 檢測設備

選用美國勞雷工業(yè)有限公司生產的SIR-20 主機和中心頻率400、900 MHz 的兩種屏蔽天線，參數以儀器默認設置為準。

1.3 試驗方案

模擬隧道初支及復合式襯砌的地質雷達厚度檢測，齡期為3、7、14、28 d，天線頻率為400、900 MHz。

2 介電常數標定

進行介電常數標定，首先應完成現場雷達波速測定。雷達波速測定的原理是利用已知厚度的試件或介質對雷達波的強反射，從雷達單道波形圖上讀取雷達波的雙程走時，反算得到混凝土相對介電常數εr。

式中：v——現場雷達波速；

d——雷達波單程距離；

t——雷達波的雙程走時；

c——光速。

分別以400、900 MHz 天線測定28 d 齡期的兩種襯砌結構試件進行介電常數標定，結果見表1。

表1 齡期28 d時兩種襯砌結構試件介電常數標定值

3 試驗結果分析

3.1 雷達天線頻率影響

不同天線頻率下檢測的試件厚度見圖1。

由圖1可以看出：

1）當齡期為3 d 時，900 MHz 頻率天線無法檢測40 cm厚度的混凝土；當齡期為7 d時，900 MHz頻率天線無法檢測40 cm厚度的鋼筋混凝土及其組成的復合式襯砌，但是，測試素混凝土及其組成的復合式襯砌精度較好；當齡期為14 d或28 d時，900 MHz頻率天線可以檢測40 cm厚度的兩種結構襯砌；

2）當齡期為3、7、14 d 時，400 MHz 頻率天線檢測素混凝土及其組成的復合式襯砌精度較好，檢測鋼筋混凝土及其組成的復合式襯砌誤差大，不宜使用；齡期28 d 時，適宜檢測初支混凝土，不宜檢測復合式襯砌；

3）當檢測厚度為40 cm、齡期14 d 或28 d 時，900 MHz 頻率天線較400 MHz 合適。檢測襯砌混凝土質量，應根據設計文件或現場實際情況，選擇最合適的地質雷達頻率天線。

3.2 防水板影響

由圖1可以看出，無論何種混凝土齡期，復合式襯砌較初支結構檢測精度差，推測是防水板的影響。

3.3 混凝土齡期影響

由圖1可看出：

1）采用400 MHz頻率天線檢測四種混凝土齡期B型試件，其實測厚度依次為0.42、0.42、0.40、0.40 m，也就是說隨著混凝土齡期的增長檢測厚度是減小的，但是齡期越長，檢測厚度越接近真實厚度；A 型、（B+防水板+C）型、（A+防水板+C）型試件的實測厚度更加偏離真實厚度；說明400 MHz 頻率天線不適宜40 cm 厚度構件的檢測；

2）900 MHz頻率天線在3 d齡期內無法測試40 cm厚度的試件；在14、28 d 齡期下，四種試件檢測厚度與實際厚度基本吻合；齡期越長，混凝土強度越高，實測厚度越真實。

因為，隨著混凝土齡期的增長，其物質狀態(tài)越貼近實際，只要采用合適頻率的天線，其實測厚度與真實厚度越接近。

3.4 鋼筋影響

由圖1可以看出：

1）齡期7 d時，900 MHz頻率天線檢測B 型厚度為0.40 m，但未檢測出A 型試件厚度；（B+防水板+C）型檢測厚度為0.51 m，但未測試出（A+防水板+C）型厚度，上述兩種情況試件的差別僅限于有無配筋；可以推斷，鋼筋影響了地質雷達檢測的功能性和準確性；

2）900 MHz 頻率天線檢測齡期14 d 時的四種試件，B 型試件檢測厚度為0.38 m，A 型為0.39 m，兩者與真實厚度基本一致；（B+防水板+C）型檢測厚度為0.50 m，（A+防水板+C）型檢測厚度0.53 m，兩者與真實厚度也基本一致；但是，從四個齡期整體看，未設配筋的試件檢測厚度相比設置配筋的混凝土試件更接近真實值；因此判定，鋼筋對電磁波的強反射作用，削弱了地質雷達檢測襯砌混凝土的功能性和準確性。

4 結論

1）在現場檢測中，應實時標定混凝土介電常數值。

2）檢測襯砌混凝土質量，應根據設計文件或現場實際情況，選擇最合適的地質雷達頻率天線。

3）防水板對混凝土厚度的影響是其放大了結構的檢測厚度。

4）隨著混凝土齡期的增長，其物質狀態(tài)越貼近實際，只要采用合適的檢測厚度的頻率天線，其實測厚度與真實厚度越接近。

5）鋼筋對電磁波的強反射作用，削弱了地質雷達檢測襯砌混凝土的功能性和準確性?！酢?/p>