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      無損檢測技術(shù)在隧道工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

      2022-03-29 10:06:04
      大眾標(biāo)準(zhǔn)化 2022年4期
      關(guān)鍵詞:時(shí)窗測線介電常數(shù)

      梁 鑫

      (山東恒建工程監(jiān)理咨詢有限公司,山東 濰坊 261000)

      隧道質(zhì)量檢測是隧道施工與竣工驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié),對(duì)隧道質(zhì)量評(píng)價(jià)和安全狀態(tài)監(jiān)控都有重要意義,為避免檢測給隧道結(jié)構(gòu)造成的破壞及影響,時(shí)常采用無損檢測方法進(jìn)行檢測,在不同的無損檢測技術(shù)中,又以地質(zhì)雷達(dá)較為常用。

      1 工程概況

      某路段分布3座隧道(記作1#-3#隧道),其總長約3.9 km,洞內(nèi)行車道的寬度為7 m,雙向雙車道,跨寬10.7 m,凈高7 m,限高5 m,2#隧道采用柱式洞門。該沿線隧道從正式投運(yùn)到現(xiàn)在,產(chǎn)生很多裂縫和滲漏,雖然進(jìn)行了維護(hù)整修,但滲漏情況越發(fā)嚴(yán)重。為正確且深入掌握隧道圍巖與其結(jié)構(gòu),確定導(dǎo)致病害發(fā)生的具體原因,并對(duì)隧道運(yùn)行狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估,需引入無損檢測技術(shù)。本次主要采用的無損檢測技術(shù)為地質(zhì)雷達(dá)。以下結(jié)合該隧道群實(shí)際情況,對(duì)其質(zhì)量檢測過程中無損檢測技術(shù)具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

      2 無損檢測技術(shù)概述——以地質(zhì)雷達(dá)為例

      地質(zhì)雷達(dá)主要由以下幾部分構(gòu)成:其一,便攜式主機(jī);其二,收發(fā)天線;其三,綜合控制電纜;其四,測量輪(選配);其五,電瓶;六,數(shù)據(jù)采集與處理軟件。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理為:借助高頻脈沖電磁波對(duì)混凝土與其下伏介質(zhì)實(shí)際分布狀態(tài)進(jìn)行探測,是現(xiàn)階段常用的無損檢測技術(shù)之一,發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻電磁波經(jīng)天線發(fā)射至目標(biāo)混凝土中,同時(shí)由接收機(jī)對(duì)介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行接收,同時(shí)充分考慮電磁波傳播過程中由于介質(zhì)自身電磁性發(fā)生變化或介質(zhì)自身幾何形狀發(fā)生變化引起的相位變化、回波能量波動(dòng)及波形改變,進(jìn)而采用計(jì)算機(jī)與濾波程序采集、處理所有反射波,根據(jù)反射波的波形、運(yùn)行時(shí)間與回波能量分布情況確定地下地質(zhì)結(jié)構(gòu),提供準(zhǔn)確可靠的質(zhì)量檢測成果,為下一步工作的決策提供可靠參考。

      地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)應(yīng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)要求:①系統(tǒng)增益應(yīng)達(dá)到150 dB以上;②信噪比達(dá)到60 dB以上;③采樣間隔不能超過0.5 ns,且A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換要達(dá)到16位以上;④計(jì)時(shí)誤差不超過1 ns;⑤可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測及連續(xù)測量,同時(shí)在連續(xù)測量過程中掃描速率應(yīng)達(dá)到64次/s以上;⑥具有可選的信號(hào)疊加、實(shí)時(shí)濾波、時(shí)窗、增益、點(diǎn)測與連續(xù)測量、手動(dòng)與自動(dòng)位置標(biāo)記功能;⑦可在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)檢測和顯示。

      地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)滿足以下各項(xiàng)要求:①探測體厚度應(yīng)達(dá)到天線有效波長25%以上;②探測體寬度或兩個(gè)相鄰的探測體可分辨最小間隔距離應(yīng)達(dá)到探測天線有效波第一聶菲爾帶半徑以上;③測線通過的表面應(yīng)保持平緩,且沒有障礙存在,以免影響天線正常移動(dòng);④遠(yuǎn)離高電導(dǎo)屏蔽層;⑤地質(zhì)雷達(dá)天線支持多種天線組合形式,但要滿足以下要求:具備良好的屏蔽功能、探測深度需達(dá)到2 m以上、垂直方向分辨率需達(dá)到2 cm以上。

      3 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測工作存在的問題與解決措施

      目前,地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)在隧道檢測領(lǐng)域得到很多影響,但這不代表這項(xiàng)檢測技術(shù)在隧道檢測領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用不會(huì)受到影響,反而有很多因素會(huì)給檢測造成影響,導(dǎo)致檢測過程或結(jié)果出現(xiàn)不同問題,這些問題主要包含以下幾個(gè)方面:

      (1)原理方面:因地質(zhì)雷達(dá)檢測以電磁波為主要原理,所以確定適宜的介電常數(shù)是采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測和后期數(shù)據(jù)處理過程的一個(gè)重要影響因素,和隧道有關(guān)的常見介質(zhì)包括空氣、純水、混凝土、粘土和凝灰?guī)r,其主要物性參數(shù)為:①空氣:電導(dǎo)率為0,相對(duì)介電常數(shù)為1,速度為0.3 m/ns,衰減系數(shù)為0;②純水:電導(dǎo)率在1.0×10-3~3.0×10-2sm范圍內(nèi),相對(duì)介電常數(shù)為81,速度為0.033 m/ns,衰減系數(shù)為0.1 dB·m-1;③混凝土:電導(dǎo)率為1.0×10-7sm,相對(duì)介電常數(shù)為6.4,速度為0.12 m/ns,衰減系數(shù)在0.03~1 dB·m-1范圍內(nèi);④粘土:電導(dǎo)率在0.1~1 sm范圍內(nèi),相對(duì)介電常數(shù)在8~10范圍內(nèi),速度為0.06 m/ns,衰減系數(shù)在1~100 dB·m-1范圍內(nèi);⑤凝灰?guī)r:電導(dǎo)率為4.0×10-6sm,相對(duì)介電常數(shù)為6,速度為0.12 m/ns,衰減系數(shù)在0.4~1 dB·m-1范圍內(nèi)。電磁波傳播過程中會(huì)受到鐵質(zhì)媒介很大影響,而隧道中存在很多鐵質(zhì)媒介,包括電纜、臺(tái)車、鋼筋和管件,所以這必然會(huì)對(duì)檢測造成影響。

      (2)操作方面:①采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道初期支護(hù)進(jìn)行檢測時(shí),因初期支護(hù)表面未能達(dá)到平整,導(dǎo)致檢測過程中里程記錄存在誤差,進(jìn)而導(dǎo)致檢測結(jié)果誤判;②天線操作人員未經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn),無法進(jìn)行規(guī)范操作,導(dǎo)致檢測結(jié)果產(chǎn)生明顯誤差;③現(xiàn)場檢測過程中,參數(shù)采集設(shè)置情況會(huì)對(duì)采集信號(hào)質(zhì)量造成影響;④檢測人員自身水平良莠不齊,對(duì)完全一致的檢測結(jié)果會(huì)給出不同的判讀結(jié)果。

      針對(duì)以上采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測時(shí)存在的實(shí)際問題,充分考慮以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可采取以下措施加以解決和改進(jìn):

      ①在不同段落及施工階段,隧道襯砌結(jié)構(gòu)有不同介電常數(shù),針對(duì)這一實(shí)際情況,即便同一座隧道,亦不可只采用一種介電常數(shù)來檢測,對(duì)在不同時(shí)期進(jìn)行施工的段落,需分別做好現(xiàn)場標(biāo)定,進(jìn)而盡量減小誤差。②采用地質(zhì)雷達(dá)開展現(xiàn)場檢測工作的過程中,要做好現(xiàn)場環(huán)境記錄,這是確保后期數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。在實(shí)際工作中,需對(duì)所有可能影響到檢測的干擾進(jìn)行記錄,包括照明裝置、車輛、人員與設(shè)備,注明這些干擾因素的位置以及和測線之間的距離。③現(xiàn)場檢測過程中,若存在表面平整度較差的段落,不可借助系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)測距,而是要通過時(shí)間觸發(fā)完成數(shù)據(jù)采集,按照5 m的間隔距離采用手動(dòng)方式做好標(biāo)記,期間應(yīng)確保天線保持恒定勻速運(yùn)行。④加強(qiáng)專業(yè)人員培訓(xùn),安排專人負(fù)責(zé)天線操作,也可由專門的技術(shù)人員來操作。當(dāng)由技術(shù)人員負(fù)責(zé)操作時(shí),所有操作人員必須經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn),以確保操作可以達(dá)到規(guī)范,如果現(xiàn)場的操作人員已經(jīng)無法適應(yīng)檢測要求,應(yīng)立即換人,以免人為因素給檢測過程及結(jié)果造成不利影響。⑤采用模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證,并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果持續(xù)優(yōu)化各項(xiàng)檢測參數(shù)。與此同時(shí),在現(xiàn)場檢測過程中,還需針對(duì)不同目標(biāo)及天線承載方式確定適宜的檢測參數(shù)。⑥采用預(yù)設(shè)缺陷模型使不同的缺陷都能在圖譜上得以直觀顯現(xiàn),進(jìn)而形成標(biāo)準(zhǔn)化圖譜,以此為現(xiàn)場檢測工作提供可靠指導(dǎo)。

      4 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測步驟

      4.1 現(xiàn)場采集準(zhǔn)備

      采用地質(zhì)雷達(dá)開展現(xiàn)場檢測工作之前,應(yīng)先做好下列各項(xiàng)準(zhǔn)備工作:

      ①對(duì)待測目標(biāo)的基本性質(zhì)與特點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。②做好測線布置,對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行記錄,并據(jù)此確定適宜的雷達(dá)天線。③按照作業(yè)要求設(shè)置采集設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)。④對(duì)介電常數(shù)予以嚴(yán)格的現(xiàn)場標(biāo)定。⑤做好上述各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后開始正式檢測作業(yè)。

      4.2 測線布置

      (1)隧道質(zhì)量檢測方式主要為縱向布線,輔以必要的橫向布線。縱向布線具體位置為拱頂、拱腰、邊墻及底部,而橫向布線的位置和距離根據(jù)具體檢測內(nèi)容及要求確定,沒有特殊要求時(shí),測線線距均按8~12 m控制,當(dāng)采用點(diǎn)測的方法時(shí),單個(gè)斷面的測點(diǎn)數(shù)量需達(dá)到6個(gè)以上。另外,如果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)異常地段,則需對(duì)測線或測點(diǎn)進(jìn)行加密。

      (2)在隧道竣工驗(yàn)收過程中,同樣主要進(jìn)行縱向布線,只有在必須的情況下才進(jìn)行橫向布線??v向布線具體位置包括拱頂、拱腰及邊墻,測線線距均按8~12 m控制,當(dāng)采用點(diǎn)測的方法時(shí),單個(gè)斷面的測點(diǎn)數(shù)量需達(dá)到5個(gè)以上。當(dāng)需要通過檢測確定空洞范圍與規(guī)模大小時(shí),需對(duì)測線與測點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用堋?/p>

      (3)對(duì)于三線隧道,需在拱頂處增設(shè)兩條測線,并在測線上按照5~10 m的間隔距離設(shè)置歷程標(biāo)記。

      4.3 介質(zhì)參數(shù)標(biāo)定

      檢測開始前需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定,每座隧道都要進(jìn)行,且實(shí)測數(shù)量達(dá)到3次以上,將平均值作為最終的介電常數(shù)。對(duì)于長度超過3 km或襯砌結(jié)構(gòu)材料或?qū)嶋H含水率產(chǎn)生較大變化的隧道,需增加標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量。具體的標(biāo)定方法為:在厚度信息已知或材料和隧道已知的其他構(gòu)件上進(jìn)行測量;在隧道的洞口或內(nèi)部不會(huì)受到來往車輛影響的部位采用直達(dá)波法進(jìn)行測量;在必要的情況下可通過鉆孔實(shí)測加以驗(yàn)證。

      4.4 參數(shù)求取條件

      (1)標(biāo)定目標(biāo)厚度需達(dá)到15 cm以上,同時(shí)厚度應(yīng)已知。(2)標(biāo)定記錄中所有界面反射信號(hào)都必須清晰和準(zhǔn)確。

      4.5 標(biāo)定結(jié)果計(jì)算

      (1)介質(zhì)相對(duì)電導(dǎo)系數(shù)與電磁波速度可采用以下公式計(jì)算得出:

      (2)參數(shù)采取如表1所示。

      表1 不同圍巖條件下的電磁波波速

      4.6 測量時(shí)窗確定

      測量時(shí)窗長度與采樣率可采用以下公式計(jì)算得出:

      不同檢測項(xiàng)目的天線頻率、待測厚度與時(shí)窗均不相同:①初支厚度檢測:天線頻率為800~1 000 MHz,待測厚度為5~30 cm,時(shí)窗為1.5~9 ns;②初支背后回填檢測:天線頻率為400~900 MHz,待測厚度大于30 cm,時(shí)窗大于9 ns;③二襯厚度檢測:天線頻率為400~900 MHz,待測厚度為30~60 cm,時(shí)窗為9~18 ns;④隔二襯檢測初支:天線頻率為300~500 MHz,待測厚度為35~90 cm,時(shí)窗為10.5~27 ns;⑤鋼架、鋼筋與預(yù)埋件分布與數(shù)量檢測:天線頻率為800~1 000 MHz,待測厚度為10~60 cm,時(shí)窗為3~18 ns,采用中、高頻率的天線能清晰反映出鋼架及鋼筋具體位置和分布情況,在數(shù)據(jù)采集過程中,時(shí)道間距應(yīng)控制在2 cm以內(nèi)。

      4.7 探測深度確定

      不同天線及其組合形式對(duì)應(yīng)的探測深度可采用以下公式計(jì)算得出:

      式(5)中,dmax表示天線最大探測深度,單位:m;σ表示介質(zhì)電導(dǎo)率,單位:s/m;β表示介質(zhì)吸收系數(shù)。

      4.8 掃描點(diǎn)數(shù)確定

      掃描點(diǎn)數(shù)可采用以下公式計(jì)算得出:

      縱向布線需進(jìn)行連續(xù)測量,實(shí)際掃描速度應(yīng)達(dá)到64道(線)以上,對(duì)于特殊地段可進(jìn)行點(diǎn)測,相鄰測量點(diǎn)之間的距離應(yīng)控制在20 cm以內(nèi)。

      5 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道質(zhì)量檢測結(jié)果

      根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果,導(dǎo)致二襯產(chǎn)生空洞的原因?yàn)槭┕し轿茨苷_理解設(shè)計(jì)意圖,設(shè)計(jì)要求采用新奧法進(jìn)行施工,但現(xiàn)場卻未能按照這一方法進(jìn)行,比如光面爆破效果較差,存在嚴(yán)重的超挖情況;未能按照要求實(shí)施觀測,在未能明確圍巖收斂情況的條件下直接進(jìn)行二襯施工。除此之外,由于混凝土封頂較為困難,二襯施工時(shí),因泵送壓力較低,加之混凝土自身流動(dòng)性較差,受重力持續(xù)作用,導(dǎo)致拱頂處的混凝土未能達(dá)到飽滿,產(chǎn)生空洞。

      6 結(jié)語

      綜上所述,借助地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)二襯病害為拱頂背后存在滲漏與空洞;通過進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn),由于存在空洞,使二襯結(jié)構(gòu)受力不均,同時(shí)拱頂彎矩產(chǎn)生很大變化,使拱頂與拱腰均成為受力薄弱位置;當(dāng)拱頂背后存在較多空洞時(shí)應(yīng)盡快進(jìn)行處理,確保二襯結(jié)構(gòu)處在可控狀態(tài),保證隧道正常和安全運(yùn)營。

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