隧洞衬砌混凝土脱空检测方法探究

（辽宁省水利水电科学研究院，沈阳110003）

探地雷达技术是用于检测浅层地质构造的地球物理探测方法，具有无损、检测分辨率高和效率高等优点。常用于水利水电工程、铁路等行业的前期勘察工作，近些年在水利工程安全隐患检测、水工隧道混凝土衬砌质量检测中发挥了巨大作用。本文对水工隧洞衬砌混凝土实例探测，利用探地雷达法和超声层析层像法对衬砌混凝土质量进行了探测和质量判定，目的是使两种方法取长补短、相互印证。

1 工程概况

王家沟水库为小（1）型水库，水库枢纽由拦河坝、冲沙闸、输水隧洞及溢洪道组成，拦河坝为心墙土石坝，最大坝高67m，坝长201m，输水隧洞位于左岸，设计流量0.9m3，全长120m，输水隧洞堵头前段为有压隧洞，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.4m。隧洞地质条件差开挖中断面控制较差，多处出现塌方，为避免衬砌后存在大的脱空和空腔，导致内水压力和放空后外水较高导致衬砌破坏，有必要对衬砌后空腔进行检查和检测。

2 地球物理条件及检测原理

2.1 探地雷达法

隧洞衬砌混凝土顶拱脱空检测，目的是探测混凝土存在空腔的位置，工程实践中空腔常有两种形式：一是地下水充填；二是空气充填。因此脱空检测的目的体为衬砌混凝土背后的水或空气。水、空气与混凝土存在明显的相对介电常数，为探地雷达检测提供了良好的地球物理前提条件。当混凝土内部出现蜂窝、空洞、不密实等缺陷时，混凝土内充填水或空气使其介电常数发生变化，水越多则介电常数越大，充填空气时，空气越多则介电常数越小，可判定衬砌混凝土出现的缺陷。

探地雷达利用发射天线向地下介质发射高频脉冲电磁波，当电磁波遇到电性差异界面时发生折射和反射，同时介质对电磁波也发生吸收、滤波和散射作用，用接收天线接收发神火折射波并记录，再用相应的处理软件进行数据处理，根据处理后的图像结合工程地质特征推断混凝土厚度、脱空位置、高度、延长长度等信息。该次探地雷达选用美国SIR-30E，天线400MHz和900MHz，时间窗口5～8000ns，数据位数32位，信噪比110dB。

2.2 超声层析层像法

超声横波在结构内部传播时，遇到波阻抗变化会产生反射原理，隧洞结构中混凝土、钢筋、围岩、水、空气存在波速差异，这为超声层析检测提供了良好的地球物理前提条件。

超声层析层像法通过在物体的一侧面发射和接收低频超声横波脉冲信号，然后用层叠成像方式进行信号处理，得到物体内部超声横波反射强度、位置、规模等，最后解译出混凝土结构信息。本次超声横波层析成像混凝土厚度测试使用A1040 MIRA混凝土断层超声成像仪。测量范围（50～2500mm），工作频率50kHz。

3 检测流程

3.1 普查

在拱顶沿洞轴线方向布置3条测线，间距60cm，如图1，用900MHz天线普查，塌方段结合400MHz天线进行普查，用900MHz进行10%复测。

图1 测线布置

3.2 复查

对于探地雷达出现的异常数据进行复测，如发现存在脱空异常，采用不同频率天线进行验证性检测及增加环向测线。

3.3 详查

对确定的探地雷达异常区采用超声横波层析成像法进一步检查，测区覆盖正常和异常位置，绘制200mm×200mm网格，如两种方法结果一致，则确认为脱空区，否则以超声横波层析成像法确定是否为脱空区。测点如图2。

图2 检测点布置

4 分析及验证

4.1 探地雷达法成果

检测过程中保证天线与混凝土表面耦合良好，天线移动均匀，采用连续测量方式检测范围0+006.000～0+55.500，检测成果如表1。探地雷达检测如图3。

表1 输水洞衬砌混凝土检测成果 单位：m

图3 探地雷达

从图3可以看出标注的异常部位，除正常结构间反射外，还存在异常反射，检测共发现小脱空及轻微不密实区域4处，延续长度1.0～2.5m；其他未见明显异常反射。

为检验检测数据的可靠性对探地雷达法安排了一定量的自检性复测，如表2。结果表明，所采集的数据准确可靠。

表2 自检性复测

4.2 超声层析层像法验证

检测过程中保证设备检波器与混凝土表面耦合良好，本次检测彩色增益18dB，模拟增益60dB，发射频率65kHz。超声层析层像检测典型如图4。从图4可以看出，超声层析层像检测图显示钢筋反射明显，中间及底部未见异常反射，两种方法检测结果相同。

图4 拱顶超声横波层析层像检测

对探地雷达发现的异常区域安排了超声横波层析成像详查工作，如表3。

表3 超声横波层析成像详查工作

5 结语

（1）检测结果共发现小脱空及轻微不密实区域4处，其中小脱空1处，不密实3处，缺陷范围延续长度1.0～2.5m，其他洞段未见明显异常反射，经自检表明脱空检测数效果好。建议检测发现的脱空洞段，应安排打孔，进行灌浆；对不密实和异常反射界面，应打2个检查孔查找原因，若界面较大则应完成灌浆作业，未存在异常应进行压水试验，确保工程质量。

（2）本次检测采用探地雷达和超声横波层析成像两种方法。探地雷达法的优点是基本不受介质表面影响，能检测出混凝土脱空高度且效率高，但受钢筋网等金属机构的影响大；超声横波层析成像法对金属结构影响小，检测直观，但效率低不利于大规模检测。此次应用两种理论基础不相同的方法联合使用，可以充分利用每一种方法长处，互相验证探测结果，提高检测精度，为工程提供可靠资料。

参考文献：

［1］SL326—2005，水利水电工程物探规程［S］.

［2］SL734—2016，水利工程质量检测技术规程［S］.

［3］SL713—2015，水工混凝土结构缺陷检测技术规程［S］.

［4］GB/T50784—2013，混凝土结构现场检测技术标准［S］.

［5］李焱，邹晨阳，吴永风.高密度电阻率法在土坝渗漏通道探测中的应用［J］.水利建设与管理，2016（11）：65-68.