地質(zhì)雷達(dá)在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

曾 宏

（廣西水利科學(xué)研究院，南寧 530023）

地質(zhì)雷達(dá)在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

曾 宏

（廣西水利科學(xué)研究院，南寧 530023）

簡(jiǎn)述地質(zhì)雷達(dá)在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的原理及方法，結(jié)合工程實(shí)例將地質(zhì)雷達(dá)與鉆芯驗(yàn)證相結(jié)合，對(duì)隧洞襯砌厚度、鋼筋分布檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并將成果應(yīng)用于多座水庫(kù)隧洞襯砌的質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果表明：地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧洞混凝土鋼筋分布、混凝土厚度及襯砌情況探測(cè)效果較好。

地質(zhì)雷達(dá)；襯砌質(zhì)量檢測(cè)；隧洞

近年來(lái)，廣西水利廳組織開(kāi)展了小型水庫(kù)放水隧洞專項(xiàng)稽查檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分隧洞施工過(guò)程中，未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，存在較大的安全隱患，部分水庫(kù)甚至還發(fā)生過(guò)險(xiǎn)情。因此，如何對(duì)已建的水工隧洞進(jìn)行有效的質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)探測(cè)潛在質(zhì)量隱患，對(duì)于水庫(kù)安全運(yùn)行具有重要的意義。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法具有高效、無(wú)損、檢測(cè)全面等優(yōu)點(diǎn)，能快速、全面探查出整個(gè)隧洞襯砌中鋼筋的分布、襯砌厚度、回填灌漿質(zhì)量等，在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧洞襯砌的應(yīng)用

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法是一種基于電磁波反射原理的無(wú)損檢測(cè)方法。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形體而變化[1]。因此，根據(jù)接收天線接收到的電磁波的傳播時(shí)間（雙層走時(shí)）、幅度、相位等波形資料可以推斷被探測(cè)目標(biāo)體的空間位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，將地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線置于隧洞襯砌表面，雷達(dá)電磁波在傳播過(guò)程中遇到混凝土、鋼筋、一次襯砌與二次襯砌分界面、混凝土與洞周巖土體的分界面、襯砌回填灌漿體等不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的電磁波反射特征，通過(guò)分析電磁波在上述介質(zhì)中的波形傳播特征，可以準(zhǔn)確測(cè)量出襯砌厚度和鋼筋間距，了解襯砌的脫空、空洞及回填灌漿密實(shí)情況等。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果解譯

1.2.1 襯砌混凝土厚度的雷達(dá)圖像解譯

利用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量混凝土襯砌厚度關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識(shí)別混凝土與圍巖的分界面。一般來(lái)說(shuō)，混凝土襯砌與圍巖的介電常數(shù)存在一定差異，電磁波在襯砌與圍巖的分界面上形成較為連續(xù)的、同相的反射波組[2-5]。當(dāng)襯砌與圍巖結(jié)合不緊密，襯砌后面存在松散巖土體時(shí)，電磁波在界面處發(fā)生折射與反射，電磁波能量衰減嚴(yán)重，接觸面較易判斷。如果襯砌混凝土與圍巖的介電常數(shù)相差較小，同時(shí)襯砌與圍巖緊密接觸，接觸面上的雷達(dá)反射信號(hào)不明顯，有時(shí)很難判別。此時(shí)，為了保證襯砌厚度檢測(cè)的精度和可靠性，在檢測(cè)隧洞襯砌混凝土厚度時(shí)，應(yīng)在襯砌表面布設(shè)鉆孔取樣，將鉆孔實(shí)測(cè)結(jié)果與雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，及時(shí)修正雷達(dá)探測(cè)參數(shù)。

1.2.2 襯砌混凝土中鋼筋的雷達(dá)圖像特征

混凝土的相對(duì)介電常數(shù)大約為6-11，電磁波速約為0.08～0.12m/ns。鋼筋為良好的電磁導(dǎo)體，其相對(duì)介電常數(shù)很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，兩者電性差異很大，因此鋼筋的雷達(dá)反射信號(hào)異常明顯，其雷達(dá)圖像為電磁波反射形成連續(xù)的小雙曲線，很容易識(shí)別。在雷達(dá)剖面圖上，取雙曲線頂點(diǎn)第一反相點(diǎn)為鋼筋位置點(diǎn)。因此，根據(jù)鋼筋的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征，使用地質(zhì)雷達(dá)能較好地探測(cè)出襯砌混凝土中的鋼筋分布、鋼筋間距、保護(hù)層厚度。

1.3 應(yīng)用實(shí)例

1.3.1 工程概況

六力（二）水庫(kù)位于平果縣鳳梧鄉(xiāng)龍林村，水庫(kù)壩址以上集雨面積2.5km2，總庫(kù)容270萬(wàn)m3，是一座以灌溉為主、兼顧防洪的小（1）型水庫(kù)。放水隧洞混凝土襯砌設(shè)計(jì)厚度為25cm，雙層鋼筋布置，設(shè)計(jì)受力鋼筋直徑為14mm，鋼筋間距20cm，保護(hù)層厚度為4cm；設(shè)計(jì)分布鋼筋直徑為10mm，鋼筋間距25cm。

1.3.2 探測(cè)測(cè)線布置及儀器率定

探測(cè)前先布置好測(cè)線，沿隧洞襯砌軸線布設(shè)水平測(cè)線，測(cè)量受力鋼筋分布。沿隧洞環(huán)向布設(shè)環(huán)向測(cè)線，測(cè)量分布鋼筋。布置測(cè)線時(shí)盡量避開(kāi)可能對(duì)探測(cè)有影響的物體（襯砌表面的鐵釘、鋼絲、凹坑等），并用粉筆在襯砌上畫好平直的測(cè)線，標(biāo)記樁號(hào)。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)前應(yīng)對(duì)襯砌混凝土的介電常數(shù)或電磁波速做現(xiàn)場(chǎng)率定，當(dāng)隧洞襯砌混凝土含水率變化較大或混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差較大時(shí)，應(yīng)在不同區(qū)域分別選擇標(biāo)定點(diǎn)。電磁波速率定時(shí)，在襯砌混凝土已知厚度部位用雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)鉆孔取樣并測(cè)量實(shí)際厚度值，將實(shí)測(cè)厚度值與雷達(dá)探測(cè)解譯值進(jìn)行對(duì)比，并調(diào)整雷達(dá)中混凝土的介電常數(shù)值。

1.3.3 隧洞襯砌混凝土鋼筋位置探測(cè)

采用加拿大EKKO系列探地雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)配置了多種頻率的天線，本次探測(cè)選用1 000 MHz的天線，測(cè)點(diǎn)間距為0.01m，時(shí)窗為20 ns，采樣間隔為0.1 ns，控制方式為測(cè)距輪觸發(fā)控制。探測(cè)時(shí)，應(yīng)確保探測(cè)天線與襯砌表面緊貼，測(cè)距輪能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，緩慢移動(dòng)天線，每完成一個(gè)測(cè)段，及時(shí)記錄測(cè)段編號(hào)、樁號(hào)、描述探測(cè)部位表面干濕情況，在需要驗(yàn)證的部位做好標(biāo)記。

將獲取的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理分析，探測(cè)結(jié)果表明：隧洞襯砌雷達(dá)探測(cè)剖面上鋼筋反射信號(hào)明顯，反射信號(hào)的振幅較大，反射波呈連續(xù)的小雙曲線形狀。圖1為隧洞襯砌混凝土鋼筋探測(cè)雷達(dá)圖像，圖1中鋼筋的反射波呈小雙曲線，鋼筋位于曲線拱頂處，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件的標(biāo)尺可以準(zhǔn)確量測(cè)鋼筋的間距，圖1中鋼筋間距約為20cm，鋼筋保護(hù)層厚度為9～10cm。為驗(yàn)證雷達(dá)探測(cè)的精度和有效性，選擇了1個(gè)探測(cè)部位進(jìn)行鉆芯，實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度為10cm，鉆芯量測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2，鉆芯量測(cè)結(jié)果與雷達(dá)探測(cè)結(jié)果基本一致。

1.3.4 隧洞襯砌混凝土厚度及襯砌探測(cè)

采用加拿大EKKO系列探地雷達(dá)對(duì)隧洞進(jìn)行快速掃描，可檢測(cè)隧洞襯砌混凝土厚度及襯砌脫空、空洞情況，圖3為隧洞襯砌左邊墻雷達(dá)探測(cè)圖像，探測(cè)范圍距離洞口0～63m，雷達(dá)探測(cè)圖像表明隧洞襯砌厚度偏差起伏不大，混凝土與圍巖的分界面較清晰，大部分厚度值在22～26cm之間，平均厚度值約25cm，與設(shè)計(jì)厚度值基本一致?；炷烈r砌后未見(jiàn)有空洞形成的強(qiáng)反射信號(hào)，未見(jiàn)有襯砌與圍巖的脫空。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度

圖2 鉆芯實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度

圖3 隧洞襯砌厚度雷達(dá)剖面圖

1.4 應(yīng)用效果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證該技術(shù)的應(yīng)用效果，又分別在洞龍水庫(kù)、化屯水庫(kù)上應(yīng)用。

洞龍水庫(kù)位于天等縣龍茗鎮(zhèn)西北村，總庫(kù)容61.2萬(wàn)m3，是一座?。?）型水庫(kù)。放水隧洞混凝土襯砌設(shè)計(jì)厚度為25cm，雙層鋼筋布置，設(shè)計(jì)受力鋼筋直徑為14mm，設(shè)計(jì)分布鋼筋直徑為12mm，鋼筋間距20cm。圖4為隧洞右側(cè)壁樁號(hào)0+075.0～0+073.2探測(cè)圖像，受力鋼筋間距平均值為21.5cm，探測(cè)未見(jiàn)雙層鋼筋布置，襯砌厚度為25.0～26.5cm，鉆孔取芯混凝土厚度值為26cm，鉆孔也未見(jiàn)雙層鋼筋。

圖4 洞龍水庫(kù)隧洞右側(cè)壁探測(cè)結(jié)果圖

化屯水庫(kù)位于馬山縣林圩鎮(zhèn)黃番村，總庫(kù)容33.7萬(wàn)m3，是一座?。?）型水庫(kù)。放水隧洞混凝土襯砌設(shè)計(jì)厚度為25cm，雙層鋼筋布置，鋼筋間距20cm。圖5為隧洞左側(cè)壁樁號(hào)0+045～0+047探測(cè)圖像，受力鋼筋間距平均值為21.5～22.0cm，探測(cè)見(jiàn)雙層鋼筋布置，襯砌厚度約為24.8～26.4cm，鉆孔取芯混凝土厚度值為25.2cm，鉆孔見(jiàn)雙層鋼筋。

通過(guò)3座水庫(kù)的應(yīng)用結(jié)果表明：加拿大EKKO系列探地雷達(dá)對(duì)隧洞混凝土鋼筋分布、混凝土厚度及襯砌情況探測(cè)效果較好。

圖5 化屯水庫(kù)隧洞左側(cè)壁探測(cè)結(jié)果圖

1.5 存在的問(wèn)題和難點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)能快速有效地探測(cè)隧洞襯砌混凝土中首層鋼筋分布，對(duì)襯砌中多層鋼筋的分布，由于表層鋼筋對(duì)底層鋼筋電磁波反射信號(hào)的屏蔽和干擾，難以確定底層鋼筋的分布。當(dāng)襯砌混凝土中有多層鋼筋分布時(shí)，襯砌混凝土首層鋼筋的雷達(dá)信號(hào)反射非常明顯，雷達(dá)圖上可見(jiàn)清晰的雙曲線反射信號(hào)。雷達(dá)電磁波經(jīng)過(guò)首層鋼筋的反射和折射后，能量衰減比較嚴(yán)重，電磁波的入射角度發(fā)生了較大變化。部分電磁波經(jīng)表層鋼筋間的空隙繼續(xù)向下傳播，當(dāng)這部分電磁波遇到底層鋼筋，產(chǎn)生反射和折射，向上反射的電磁波在回程中又與首層鋼筋發(fā)生各種折射與反射，造成底層鋼筋的電磁波反射信號(hào)衰減嚴(yán)重，雷達(dá)接收天線接收到的底層鋼筋反射信號(hào)很弱，難以判斷是否是底層鋼筋的反射信號(hào)（見(jiàn)圖6）。從圖6融水縣新塘水庫(kù)隧洞襯砌中左側(cè)壁樁號(hào)0+015～0+016.7雙層鋼筋（直徑為14mm）的雷達(dá)反射圖像看，其底層鋼筋雷達(dá)信號(hào)反射較弱，難以確定底層鋼筋的間距。

圖6 新塘水庫(kù)隧洞左側(cè)壁探測(cè)結(jié)果圖

使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧洞襯砌混凝土厚度時(shí)，襯砌與圍巖的介電常數(shù)差異及結(jié)合情況直接影響成果解譯的精度和可靠性。當(dāng)襯砌混凝土與圍巖的介電常數(shù)差別很小、又緊密結(jié)合時(shí)，單獨(dú)依靠地質(zhì)雷達(dá)較難準(zhǔn)確量測(cè)襯砌混凝土的厚度，需要結(jié)合鉆芯取樣，來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果的解譯是否合理。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廣西區(qū)內(nèi)多座水庫(kù)隧洞襯砌的質(zhì)量檢測(cè)，可知，使用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧洞襯砌質(zhì)量具有操作簡(jiǎn)便、探測(cè)效率高、探測(cè)結(jié)果可視化等特點(diǎn)，能夠全面準(zhǔn)確地探測(cè)出隧洞襯砌混凝土鋼筋分布、襯砌混凝土厚度及襯砌與圍巖的脫空等，是隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)的一種有效手段。

[1] 李大心.探地雷達(dá)方法與運(yùn)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2] 張頂立，張素磊，房 倩，等.鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，32（2）：217-224.

[3] 吳德勝，孫宗龍.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].地球物理科學(xué)進(jìn)展，2009，6（06）：778-782.

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[5] 謝昭暉.地下不同目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2005，2（1）：9-11.

（責(zé)任編輯：周 群）

Application of geological radar in tunnel lining quality examination

ZENG Hong
（Guangxi Hydraulic Research Institute,Nanning 530023,China）

A brief introduction was made on the principle and method of applying geological radar in tunnel lining quality examination.For an actual project,geological radar was used to examine the tunnel lining thickness and reinforcing steel distribution,and the examination results were checked by core drill.The achievements of comparison and analysis were applied in tunnel lining quality examination of multiple reservoir projects.The results of application demonstrate that geological radar renders good effects for examination of tunnel reinforcing bar distribution,concrete thickness and lining quality.

Geological radar;lining quality examination;tunnel

P631.325；TV523

B

1003-1510（2016）04-0034-03

2016-00-00

曾 宏（1983-），男，湖南永州人，廣西水利科學(xué)研究院工程師，碩士，主要從事巖土工程質(zhì)量檢測(cè)工作。