综合物探在某水工隧洞衬砌质量检测中的应用

崔召，姜顺龙，刘家伟，李春洪，张途

（云南勘中达岩土工程质量检测有限公司 昆明 650225）

0 引言

在云南省某水库工程施工过程中发现，由于受到地质条件、施工水平等因素的影响与制约，导流、泄洪隧洞洞室混凝土衬砌质量存在缺陷。一方面，在重力、施工荷载以及地下水等条件的影响下，隧洞洞室顶拱与围岩接触面容易出现脱空现象或松动带。另一方面，由于施工技术水平的制约，如振捣不到位等因素的影响，容易造成隧洞洞室左右边墙混凝土衬砌与围岩接触面出现脱空现象、混凝土衬砌内部出现空洞、不密实等情况。为了确保导流、泄洪隧洞工程的质量安全以及后续的运行安全，同时为水库工程竣工验收提供质量评价，需采用有效的工程物探技术方法，对已建成的导流、泄洪隧洞洞室混凝土衬砌质量进行检测，查明洞室混凝土衬砌存在的质量缺陷，及时提出相应的工程处理措施。

探地雷达是一种重要的工程物探技术方法，具有高效率、高分辨率、高精度的特点，同时探地雷达操作方便，作业连续性高等特点，也使得探地雷达在洞室混凝土衬砌质量检测、建基岩体质量检测等工程物探领域得到广泛的应用[1]。钻孔电视是另一种重要的工程物探技术方法，将摄像头置于钻孔中，对钻孔孔壁进行全程实时拍摄并记录，具有系统集成度高、剖面实时自动提取、孔深自动校准等特点，使得钻孔电视在混凝土质量检测、灌浆效果检测以及配合洞室混凝土衬砌质量检测等工程物探领域得到广泛应用。

本文以该工程项目为例，介绍了综合探地雷达、钻孔电视工程物探技术方法，对隧洞洞室混凝土衬砌开展物探检测工作，并将结果进行分析研究，为今后水利水电工程物探检测提供了参考数据。

1 工程物探原理与方法

1.1 探地雷达工作原理与方法

探地雷达的基本原理是利用高频电磁波(1MHz~1GHz)，以脉冲形式通过发射天线被定向地送入地下。雷达波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异的地下地层或目标体时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线所接收。在对接收天线所接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波波形、强度、时间等推断地下介质的空间位置、结构、电性质及几何形态，从而达到对地下地层或目标体的探测[2]。探地雷达工作原理示意图如图1所示：

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，由于屏蔽天线中，发射天线与接收天线之间的距离相比于所要探测的目标体的距离可以忽略不计，因此根据探地雷达所记录的地面反射波与地下反射波的时间差△T，即可根据下式计算出地下异常或目标体的埋藏深度H：

其中：H为埋藏深度，也称为目标层厚度；V为电磁波在介质中的传播速度[3]。

图1 探地雷达工作原理示意图

探地雷达的工作前提是探测对象或目标体与周围介质间存在着明显的电性差异，电磁波在介质中的传播速度与介质的介电常数、磁导率有关。介电常数是一个无量纲物理量，它表征一种物质在外加电场的情况下，储存极化电荷的能力。介电常数不同的两种介质的界面，会引起电磁波的反射，反射波的强度与两种介质的介电常数及电导率的差异有关。磁导率是一个无量纲物理量，它表征介质在磁场作用下产生磁感应能力的强弱。绝大多数工程介质都是非铁磁性物质，磁导率都近似于1，对电磁波的传播特性无重要影响。因此，可根据下式计算出电磁波在介质中的传播速度：

其中：C为电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s；

ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

1.2 钻孔电视工作原理与方法

钻孔电视的基本原理是全景摄像探头进入钻孔，摄像光源照亮钻孔孔壁上的摄像区域，孔壁图像经锥面反射镜变换后形成全景图像，全景图像与罗盘方位图像一并进入摄像机。摄像机将摄取的图像经专用电缆传输至位于地面的视频分配器中，一路进入摄像机，记录探测的全过程；另一路进入计算机内的捕获卡中进行数字化。位于绞车上的测量轮实时测量探头所处的位置，并通过接口板将深度值置于计算机内的专用端口中，由深度值控制捕获卡的捕获方式。在连续捕获方式下，全景图像被快速地还原成平面展开图，并实时地显示出来，用于现场监测。在静止捕获方式下，全景图像被快速地存储起来，用于现场的快速分析和室内的统计分析，下降探头直至整个探测过程结束[4]。钻孔电视工作原理详见图2：

钻孔电视由全景摄像探头、图像捕获卡、深度脉冲发生器、计算机、录像机、监视器、绞车及专用电缆等组成。全景摄像探头包括：锥面反射镜、光源、磁性罗盘以及微型CCD摄像机。

钻孔电视的关键技术是全景技术（截头的锥面反射镜）和数字技术（数字视频和数字图像）。全景技术实现了360°钻孔孔壁的二维表示，叠加方位信息后形成的平面图像称为全景图像；数字技术实现了视频图像的数字化，通过全景图像的逆变换算法，还原真实的钻孔孔壁，形成钻孔孔壁的数字柱状图像[5]。

2 工程实例

2.1 工程概况

本论文所研究的某水库枢纽工程位于云南省境内，水库枢纽工程由大坝、导流泄洪隧洞、溢洪道及输水隧洞等组成，大坝为粘土心墙风化料石渣坝，最大坝高59.3m。枢纽工程主要建筑物级别为3级，溢洪道、泄洪隧洞、输水隧洞为3级建筑物，其中泄洪隧洞与导流隧洞全结合，布置在大坝左岸，工作闸门后为圆拱直墙形无压隧洞，无压洞身段断面尺寸为4.5m×6.5m，轴线全长为383.5m，其中洞身段长323.5m。

2.2 探地雷达测线布置及参数设置

探地雷达检测导流、泄洪隧洞无压洞身段洞室混凝土衬砌质量的测线布置，结合无压洞身段实际情况，在该隧洞的顶拱以及左、右边墙部位共布置四条探地雷达径向测线。为了进一步确定洞室混凝土衬砌与围岩接触面的脱空缺陷，对径向测线所检测出来的脱空位置进行了加密检测，针对脱空位置布置环向测线，探地雷达测线布置示意图详见图3。

图3 探地雷达测线布置示意图

由于水利水电工程隧洞内的检测环境较为复杂，隧洞内的电线电缆、金属物件以及钢管脚手架等都会对探地雷达的检测作业产生一定的干扰。因此，洞室混凝土衬砌质量检测通常采用屏蔽天线。本次探地雷达检测所使用设备为意大利IDS公司生产的RISK2型探地雷达。该探地雷达系统主要由K2型探地雷达双通道主机、天线和处理软件三部分组成，使用400MHz屏蔽天线进行物探检测。

在物探检测过程中，屏蔽天线与洞室混凝土衬砌表面紧密贴合，同时沿着测线匀速前行[6]，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向衬砌混凝土内部发射电磁波[7]，进行连续、快速采集工作。探地雷达工作参数设置详见表1。

2.3 钻孔电视测区布置

钻孔电视测区布置，结合探地雷达图像成果，选择洞室混凝土衬砌脱空特征点进行钻孔作业，使用钻孔电视开展物探检测工作。在钻孔进行充分清洗后，钻孔电视在干孔中直接进行物探检测。所选取的钻孔点为探地雷达图像所呈现的两个脱空范围较大的特征点，分别为左边墙，桩号DX0+152.40m以及右边墙，桩号DX0+159.10m，钻孔位置布置详见图4所示。

表1 探地雷达工作参数设置表

图4 钻孔位置布置示意图

钻孔电视物探检测使用的仪器为JL-IDOI(C)智能三维钻孔电视成像仪，深度计数器用来记录探头在钻孔内行进的深度，探头内带LED发光二极管和摄像机，用来摄取孔壁图像，获得的视频信号通过专用电缆传输到主机，主机接收到深度计数器传来的深度脉冲信号和探头传来的视频信号，计算探头所在的位置，主机将钻孔内的实际情况进行成像和视频录制。钻孔电视对钻孔中拍摄的孔壁图像进行分析，根据所生成孔壁的数字柱状图像分析判断钻孔内的地质现象[8]。

2.4 检测结果

2.4.1探地雷达检测结果

该工程导流、泄洪隧洞洞室混凝土衬砌质量检测探地雷达图像是采用GresWin2软件处理之后得到的，左边墙洞室混凝土衬砌径向测线探地雷达图像详见图5，左边墙质量缺陷为洞室混凝土与围岩接触面的脱空，表2列出了左边墙洞室混凝土衬砌质量检测结果。

右边墙洞室混凝土衬砌径向测线探地雷达图像详见图6，右边墙质量缺陷为洞室混凝土与围岩接触面的脱空，表3列出了右边墙洞室混凝土衬砌质量检测结果。

图5 DX0+151.40~DX0+154.20探地雷达图像

表2 左边墙洞室混凝土衬砌脱空检测结果表

图6 DX0+157.70~DX0+160.70探地雷达图像

表3 右边墙洞室混凝土衬砌脱空检测结果表

为了更进一步确定洞室混凝土衬砌脱空情况的结构、埋藏深度，针对径向测线所检测出来的脱空位置布置环向测线，对左、右边墙洞室混凝土衬砌进行加密检测，加密检测探地雷达图像详见图7，加密检测探地雷达工作参数设置如表4所示。

2.4.2钻孔电视检测结果

为复核探地雷达检测结果的准确性，钻孔电视采用DSP图像采集处理系统得到的洞室混凝土衬砌与围岩接触面的脱空图像详见图8，表5列出了洞室混凝土衬砌质量检测结果。

2.5 检测结果对比分析

图7 洞室混凝土衬砌质量加密检测探地雷达图像

表4 加密检测探地雷达工作参数设置表

通过对该工程导流、泄洪隧洞洞室混凝土衬砌的质量采用探地雷达、钻孔电视两种工程物探方法进行联合检测[9]，两种工程物探方法的检测结果对比如表6所示。

由表6可以看出，探地雷达、钻孔电视两种工程物探方法检测隧洞洞室混凝土衬砌脱空结果存在一定的符合性。在同样的桩号位置，两种工程物探技术方法均检测出脱空现象，但是探地雷达所检测到的脱空距离表面深度相比于钻孔电视的检测结果要大5%左右，探地雷达所检测到的脱空深度相比于钻孔电视的检测结果存在20%~30%的偏差。

3 结论

图8 洞室混凝土衬砌质量检测钻孔电视图像

表5 洞室混凝土衬砌脱空情况钻孔电视检测结果表

表6 探地雷达与钻孔电视检测洞室混凝土衬砌脱空结果对比表

综上基于探地雷达、钻孔电视的工作原理与检测方法，利用两种工程物探技术方法对某水库工程导流、泄洪隧洞洞室混凝土衬砌质量进行的物探检测。两种方法的检测结果表明探地雷达、钻孔电视两种工程物探检测结果在脱空深度方面虽然存在一定的差异性，但是探地雷达检测效率高，对洞室混凝土衬砌无破坏作用，同时检测工作周期短。钻孔电视可以在探地雷达检测结果的基础上，对工程质量缺陷进行钻孔作业，开展精确检测，一方面可复核探地雷达的检测结果，另一方面可充分发挥工程物探检测技术在水利水电工程中的优势和潜力[10]。此研究成果为该水库工程导流、泄洪隧洞工程质量评价以及洞室混凝土衬砌缺陷处理提供了重要依据，同时也为今后水利水电工程物探检测提供了一定的理论与技术支持。

（本文为云南省混凝土协会推荐）