無損檢測技術在隧道工程質量檢測中的應用

程仕峰，謝經然

摘 要：以隧道工程作為研究對象，重點探究了隧道工程質量檢測的相關技術。以探地雷達檢測技術的基本理論作為切入點，引入理論總結和案例分析法，指出了隧道工程中無損檢測技術的具體應用流程及注意事項，說明無損檢測技術特別是地質雷達檢測的優勢。在各種規模及類型的隧道工程中，相關人員需合理利用地質雷達檢測技術，以評估隧道工程的結構性能與質量要求是否一致，從整體和細節角度發現質量缺陷的類型、位置、形狀，為處理隧道工程質量問題提供有效依據。在利用該技術進行隧道工程質量檢測時，需結合實際情況選定地質雷達檢測設備、技術參數，優化檢測路徑，以高質量、高效率完成檢測任務，為實際工作提供有效參考。

關鍵詞：隧道工程；無損檢測技術；質量檢測；應用

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2024）05-0079-03

0 引言

隧道工程的結構復雜，無論是施工建設還是后續檢測都面臨一定的難點。為評估隧道工程的質量情況，有關人員必須合理利用無損檢測技術。隧道工程質量檢測中應用無損檢測技術，能在非破損的條件下判定隧道結構的質量缺陷、結構安全，幫助相關人員及時發現隧道施工問題，采取更有針對性的解決措施。每一隧道工程都有各自的特征，在無損檢測過程中相關人員需立足實際，制定科學的無損檢測技術方案，發揮技術的效率、精度優勢。

1 基本理論

無損檢測技術具有明顯優勢，它不破壞被檢測對象的結構或者基本性能，高效檢測下能得到相對準確的結果。當前超聲檢測、液體滲透檢測、射線檢測、磁粉檢測等均屬于無損檢測，這些檢測方法既能單獨使用，也可以兩種或兩種以上結合使用。

1.1 探地雷達基本原理

探地雷達的主要構成為發射天線、接收天線、信號處理器。雷達波在地下介質中傳播時一旦物體界面有所變化，其傳播受阻，將出現明顯的反射、繞射現象。介質介電特性、幾何形狀有所不同，雷達波的傳播路徑、速度、波形等也會發生顯著變化[1]。天線接收到反射波后，通過分析其往返時間、幅度與波形等基本信息，即可判定雷達波的傳播特點，進而分析其傳播介質的類型及變化。探地雷達的工作原理如圖1所示。圖1中X表示的是發射天線與接收天線的距離，單位為m，D表示的是被測物體的埋藏深度，單位為m。

1.2 電磁波傳播規律

為發揮探地雷達的檢測優勢，精準判定質量缺陷，需獲取雷達電磁波的傳播速度、時間等關鍵參數。根據現有理論和實踐探究，計算公式如式（1）所示。

（1）

式中，v、c、εr分別為電磁波在介質中的傳播速度、電磁波在真空中的傳播速度、相對介電常數。

物質界面上電磁波的反射系數與介質的相對介電常數存在緊密聯系，其變化規律如式（2）所示。

（2）

式中，R、εr1、εr2分別為反射系數、介質的相對介電常數。

自然界中的物質種類繁多，每種物質都有各自的相對介電常數，在清楚相對介電常數的前提下可直接判定物質的類型。雷達波在每種介質中都有各自的傳播特性，在特殊類型的介質中傳播時雷達波傳播路徑、波形等存在顯著變化。當獲得傳播特性后，即可判定傳播介質的具體情況，從而判定介質是否有變化或者存在其他情況。

針對隧道工程項目，考慮到其結構特殊性，在利用探地雷達技術進行檢測時雷達波一般需經歷多種介質，如圍巖、襯砌混凝土、鋼拱架、鋼筋。

1.2.1 混凝土

隧道結構中襯砌，可細分為初支、二襯，核心材料為混凝土。施工建設中為達到結構標準，施工人員應在特定的配合比下充分混合水泥、水等材料，將形成的混合物振搗攪拌，以使混凝土密實度基本符合施工要求。當襯砌混凝土施工良好，無質量缺陷時，雷達波在此介質中傳播時得到的圖像穩定且連續；但如混凝土施工不規范，存在結構缺陷，雷達波圖像在局部缺陷位置將無明顯規律[2]。

1.2.2 鋼筋與鋼拱架

襯砌結構中也有鋼筋和鋼拱架介質，當雷達波穿越這些介質時，基本可保持良好的傳播狀態，幾乎無衰變問題。但如雷達波穿越襯砌混凝土、鋼筋與鋼構架的交界面，其傳播路徑將發生變化，主要存在反射現象。通過專業接收裝置可全面分析雷達波的傳播過程，并可將繪制出雷達剖面圖，便于結合圖像結果來分析交界面位置或者其他異常情況。

1.2.3 圍巖

隧道工程質量應用探地雷達技術檢測時，也需要分析雷達波穿越圍巖時的情況。在工程現場圍巖無明顯的規律性，局部位置可能因其他干擾因素，影響信號的反饋?；炷?、圍巖的相對介電常數不同，在雷達剖面圖中可清晰呈現這一差異，而利用這一差異性即可確定襯砌厚度。

2 案例分析

2.1 工程概況

某隧道工程項目，總體上屬分離式隧道，間距30 m，右線起訖樁號為K119+730～K120+685，總長0.955 km。本項目地形地質條件復雜，主要位于低山丘陵地段， 多分布有大量形態不規則、高低各異的山體。

項目前期階段，有關人員進入現場展開了一系列勘測，發現此處多為中風化板巖，巖體破碎嚴重，易出現坍塌風險。伴隨著施工作業的持續開展，洞室出現滲漏水的幾率較高，影響了正常的施工作業?？紤]到本項目的實施要求，初期支護采用12～26 cm C25噴射混凝土，初期支護采用無鋼拱架結構，或者也可采用間距為0.5～1.2 m的鋼拱架結構體系。二次襯砌厚度為0.4～0.5 m，采用的是C30標號的混凝土。

2.2 選擇檢測設備

綜合考慮隧道工程的結構特征，為得到相對準確的結果，選用的是PLT600型探地雷達。

2.3 布設隧道測線

本隧道工程的檢測對象為襯砌，正式檢測之前相關人員需全面了解隧道的結構特點、環境特征等，在此前提下制定最優的檢測計劃，其中應包含檢測方法、技術路徑、設備配置等基本情況。為獲得高精度的檢測結果，首要工作是布置測線，總共布設5條檢測線，分別位于隧道左邊墻、右邊墻、左拱腰、右拱腰、拱頂[3]。

2.4 采集現場數據

2.4.1 設置參數

探地雷達檢測技術中，技術參數是影響檢測精度的重要方面。針對本隧道工程中的檢測任務，重點應關注掃描速度、脈沖重復頻率、道間距等。相關人員進入現場調研后，為獲得完整和準確的檢測結果，需按照以下要求設定參數：掃描速度＞800掃/s，脈沖重復頻率為160 MHz，時窗為263 ns，道間距為0.02 m，波速為100 m/μs。

2.4.2 操作要點

檢測工作開始之前，主管人員需合理安排相關人員的工作任務，向這些人員傳授基本的操作要求，使人員熟悉探地雷達檢測規范，并細分這些檢測人員的工作任務。

探地雷達極高的檢測要求，相關人員必須了解天線的前進方向、天線與被檢測襯砌混凝土面應直接接觸。檢測人員之間需加強配合，嚴格執行檢測規范。天線操作人員不僅要根據要求來操作天線，更需要與其他崗位人員高度配合，促進檢測工作的順利開展并同步記錄數據，一旦發生異常情況，則需要進入應急狀態，以免問題處理不及時影響檢測進程。現場檢測線數量為5條，技術人員需準確掌握每一條檢測線的具體位置及其周邊情況，記錄關鍵參數。

2.5 地質雷達波形分析

2.5.1 數據處理分析

經過探地雷達檢測得到的雷達數據為原始數據。根據電磁波在介質中的傳播特性，介質吸收電磁波，會造成反射信號的逐步衰減，一旦電磁波傳播期間介質的均勻性不足，設置伴隨著漫反射現象。針對上述問題，為獲得相對準確的檢測結果，應保留全部的反射波，記錄反射的電磁波有效信號、干擾信號。數據處理的終極目標為消除其中的干擾信號，以得到有效分布波形圖，方便相關人員在得到此圖形后能深入分析隧道襯砌的質量情況[4]。

本次探地雷達所選擇的設備，在處理數據時需配套Reflexw后處理軟件，為此需按照以下步驟完成濾波處理：①去直流漂移、去除零漂。②切除其中的直達波，確定被測介質表面。③對所獲取的深部信號進行增強處理，以方便相關人員更為清晰地辨認。④去除水平信號干擾。⑤去除高頻和低頻信號，篩選出其中的可用信號。⑥剔除毛刺噪聲干擾，進入圖像平滑處理階段。

2.5.2 典型雷達圖像分析

Reflexw后處理軟件具有多種功能，在基本的檢測任務結束后，此軟件能全面分析雷達波形圖像，從中提取出關鍵信息。具體處理過程中需增強目標信號，去除其中各種類型及來源的干擾信息，用處理后的圖形來評估襯砌結構的實際情況。

本隧道工程現場的環境惡劣，直接采取一般的分析方式無法得到有效的結論，為此在處理圖像、分析結果期間相關人員也需要考慮地形干擾。大量的理論分析與實踐探究結果顯示，混凝土密實度、鋼筋分布等對襯砌檢測過程的影響較大?；炷撩軐嵆潭?、鋼筋分布與反射信號的幅度有關，如襯砌結構中局部位置鋼筋分布、混凝土密實程度等與施工要求不一致，此處的波形圖將存在突變現象。

2.5.2.1 空洞與脫空

在隧道工程中，空洞與脫空為相對常見的質量問題，表現為隧道二次襯砌、初期支護之間或者初期支護與隧道圍巖間有縫隙等現象。結合大量的施工經驗，此現象的原因可能為：①二襯澆筑作業期間相關人員未執行混凝土振搗作業，導致混凝土的密實度不達標。②防水板鋪設時未遵循鋪設要求，鋪設的平整度不符合要求，局部位置的防水板鼓起，襯砌澆筑期間易產生空洞。③隧道拱頂部位封閉窗口時，混凝土用量過少。④地下水持續侵蝕圍巖，長期作用下部分圍巖區域有孔隙和空洞現象[5]。

在檢測空洞與脫空質量缺陷時，雷達波在傳播過程中會遇到空氣、混凝土、圍巖等多種介質。每種介質都有其對應的介電常數，因為介電常數的差異，在隧道的空洞、脫空等位置經常有空氣滲入。當雷達電磁波在襯砌混凝土、空氣等介質中傳播時，其反射信號相對較強，有關裝置可同步采集到相應的信號。但如襯砌結構中有空洞與脫空，電磁波信號在此位置將發生突變現象，裝置所接收到的圖像也會出現異常變化。通過分析圖像特征不僅可判定質量缺陷的具體類型，還能定位缺陷，了解形狀等基本特點。

2.5.2.2 鋼筋、鋼拱架分布

襯砌結構對隧道穩定與安全的影響較大?？紤]到襯砌結構性能規定，選擇了HRB400型鋼筋、工字鋼鋼拱架。這兩種鋼材的導電性能優越，雷達電磁波傳播期間如經歷這兩種介質，反射信號強烈，在圖像中清晰可見。根據實際的檢測結果，襯砌內鋼筋雷達反射波呈連續分布狀態，即使存在一定變化，也表現出明顯的規律性特征。鋼拱架雷達反射波波形分散，有關人員通過判定雷達波形情況，即可直觀分析襯砌結構中鋼筋的分布位置、形態，判定鋼筋數量、間距等是否與施工要求相一致。

2.5.2.3 襯砌厚度

隧道襯砌施工中對厚度有嚴格規定，如襯砌厚度不符合施工要求，將增大隧道結構風險，使工程投入使用后易出現安全事故。因此，隧道工程質量檢測中相關人員需檢測襯砌厚度，利用探地雷達技術測定襯砌厚度大小，將測定結果與設計值進行對比。

本工程項目中所選定的探地雷達檢測技術，在獲取了雷達波數據后，相關人員需采取合理化措施處理數據。此后利用Reflexw處理軟件“分析-拾取”命令拾取層操作，直接得到二次襯砌的厚度、初支與圍巖界限的相關信息。相關人員利用探地雷達檢測技術，可直接分析雷達波形圖形，據此判定二襯厚度。

如果隧道工程中素混凝土二襯中未布設鋼筋，圖像能清晰呈現二襯與初支之間的層間信號反射情況。再利用Reflexw處理軟件“分析-拾取”命令，即可篩選初二襯與初支之間的分界面，獲取二襯厚度值。如二襯結構中布設有鋼筋，二襯鋼筋與初支鋼拱架之間的電磁波反射信號之間會產生一定干擾，難以清晰確定分界面，不利于獲取二襯厚度。為實現高效、清晰判定，相關人員需適當放大圖像比例，從中選出強反射層位界面，以判定二襯厚度是否與施工要求相一致。

3 結束語

探地雷達檢測是廣受關注的無損檢測技術，此技術在很多領域都有成功的應用，特別是在隧道工程的質量檢測中，該技術具有突出優勢。未來有關人員需根據探地雷達技術的發展及應用情況，擴大此技術的應用范圍。

參考文獻

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[2] 韓景陽.地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用[J].江蘇建筑，2022（S1）：49-51.

[3] 馬學志，段培勇，李健超.基于紅外熱成像的朔黃鐵路隧道襯砌滲漏水檢測技術[J].鐵道建筑，2022，62（8）：126-129.

[4] 汪洋.地質雷達在公路隧道交工檢測中的應用[J].工程建設與設計，2022（14）：122-124.

[5] 賈金曉，張逸，趙益鑫.公路隧道襯砌質量缺陷及雷達檢測技術[J].科學技術創新，2022（14）：95-98.