物探技术在隧洞衬砌质量检测中的应用

徐 涛，曾永军，张建清，严 俊

(1.长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北 武汉 430010；2.贵州省水利投资(集团)有限责任公司黔中分公司，贵州 六盘水 553000)

1 概述

隧洞衬砌作为“新奥法”施工隧道中的主要承载结构，对于维持隧道的安全施工和长效运行具有极其重要的作用。由于施工过程中人员操作不当、质量控制不严等因素影响，可能会造成衬砌质量问题，给隧洞安全带来隐患。因此，对已施工隧洞衬砌结构进行检测，及时发现质量问题并进行处理，避免重大安全事故发生尤为重要。

早期衬砌结构缺陷检测采用钻芯法，其具有成果直观、可靠度高的特点，但由于钻孔取芯对隧道衬砌支护系统具有一定破坏性，而难以进行大批量抽样检测，少量成果难以反映隧道衬砌结构整体质量。以探地雷达为主的无损探测技术，具有操作简便、效率高、对结构无损伤等特点，在隧洞衬砌检测中得到广泛应用[2- 5]。近年来随着超声检测技术快速发展，超声波反射成像以其分辨率高、指向性好、反应灵敏、精度高的特点，在混凝土检测中取得了很好的应用效果[6- 9]。

目前超声横波反射成像技术在大体积混凝土质量检测中开展了大量研究[9]，但在隧洞衬砌质量检测应该研究相对较少，文中采用阵列超声横波反射成像和探地雷达等地球物理探测方法相结合，对引水隧洞混凝土衬砌结构进行了无损检测，并采用钻芯法进行了成果验证，验证结果表明采用综合方法获得的无损检测成果准确全面地反映了隧洞衬砌结构实际情况。

2 检测原理与方法

2.1 超声横波反射成像技术

(1)检测原理

超声横波是质点振动方向与波的传播方向相垂直的一种弹性波，在传播横波时物体中质点要产生剪切变形，由于液体和气体中无剪切弹性，因此，横波只能在固体中传播，所以当超声横波在传播过程中遇到固体-液体界面或者固体-气体界面等波阻界面时，不能发生透射而在该界面处发生全反射。

超声横波反射成像基本原理是超声横波在混凝土中传播时遇到了波阻抗有差异的物体，如钢筋、水体、空洞或欠密实区域等，就会发生反射。检测时用换能器将超声横波脉冲发射到衬砌结构中，再利用换能器接收反射脉冲，通过反射波信息来判断隧洞衬砌结构中是否存在反射界面(体)，然后结合隧洞设计施工结构对比，排除钢筋等内部构件反射信息后，判断衬砌结构质量情况。

(2)技术方法

超声横波反射成像法利用阵列超声横波反射成像仪，该仪器采用干耦合式单晶DPC换能器阵列发射和接收超声横波，采用合成孔径聚焦技术进行信号处理和图像重建。该换能器阵列由4×12共48道DPC传感器组成如图1所示，每个传感器既可作为发射换能器，也可作为接收换能器。工作时采集控制单元依次将每一列4个传感器作为发射换能器，其他列传感器作为接收换能器，直至前11列都作过发射器，单次采集结束；然后移至下一点继续采集如图2所示。最后将单点采集成果组合成测线方向连续二维断面成果。

图1 DPC换能器阵列

图2 横波全波束路径示意图

2.2 探地雷达扫描技术原理与方法

(1)检测原理

混凝土衬砌与隧洞初级支护及围岩之间存在脱空时，与两者结合密实时表现出明显不同的物性差异。脱空形成的混凝土-空气界面与其他混凝土衬砌结合密实部位存在较大的电性差异，这为采用电磁波法探测提供了良好的地球物理条件。当采用探地雷达发送调频脉冲电磁波，电磁波以宽频带、短脉冲形式定向射入探测面板区域内部，经存在电性差异的混凝土-空气界面反射回波被探地雷达接收，通过记录分析反射波到达时间t、反射波幅值等参数来研究被探测介质的分布和特性。

(2)技术方法

探地雷达测量方式一般分为剖面法和宽角法两种。剖面法是发射天线T和接收天线R以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式，得到结果是时间剖面图，由于天线间距一般很小，故可认为是自激自收时间剖面。宽角法是将发射天线固定在地面某点不动，而将接收天线沿测线移动，记录目标体内各个不同界面反射波的双程走时的测量方法，工作中一般采用剖面法进行连续或密集点采样。一般地，地层的电磁波速度是已知的，或采用宽角法测量得到。因此，采用剖面方法记录下电磁波旅行时t，即可求得目标层厚度或目标体埋深。

探地雷达成果图像的解释，是依据反射波的强度，波形变化及其反射波同相轴的连续性等特征来判断混凝土与垫层结合处的情况。

3 工程应用

某水利工程是一座以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电综合性大型水利枢纽工程，主要由水源工程、供水工程和灌区骨干输水工程等组成。输水渠道总长约800km，分为输水干渠和支渠。本次隧洞衬砌质量检测工作在输水干渠进行，设计开挖半径3m，衬砌混凝土设计厚度400mm，钢筋保护层厚度50mm。

3.1 检测工作布置

在隧洞拱顶沿水流方向布置3条测线，测线编号GD1、GL1、GR1，其中GD1位于顶拱中心线上，GL1和GR1位于中心线左右两侧，距离拱顶中心测线距离弧长各1.5m；同时在轴向测线桩号3m、6m、9m处分别布置拱顶横断面测线，测线编号H3、H6、H9，测线沿拱顶横断面圆弧长度4m，横断面测线中心位置与拱顶中心测线相交，左右弧长各2m，测线布置如图3所示。超声横波反射成像采集点距20cm，工作频率40～50kHz；探地雷达天线频率400MHz和900MHz，发射率100kHz，探测方式为连续扫测。

图3 测线剖面布置示意图

3.2 检测成果分析

3.2.1超声横波反射成像成果分析

表层钢筋及第二层钢筋反应明显，钢筋位置清晰；在埋深40～60cm范围出现局部连续横波强反射界面。查阅设计及施工资料，该段衬砌混凝土设计厚度40cm，排除排水板等干扰后，推断该界面为二次衬砌混凝土上底界面，成果推断如下：

(1)隧洞衬砌混凝土厚度范围35～60cm。

(2)钢筋保护层厚度变化范围4～15cm，平均厚度9cm；钢筋间距变化范围16～21cm，平均间距20cm；钢筋排距21～28cm，平均排距26cm。

图4 北干渠2标段轴向测线检测典型成果图

图5 北干渠4标段轴向测线检测典型成果图

(3)二次衬砌混凝土与初期支护结构之间存在脱空。

3.2.2探地雷达扫描成果分析

900MHz天线雷达成果图中可见连续且规则双曲线反射信号，曲率半径较小，且第一层反射信号振幅较强，第二层相对较弱，可判断为衬砌混凝土结构内部两层钢筋反应。两层钢筋后电磁波信号衰减严重，无有效探测信息。

400MHz天线雷达成果图中基本能反应钢筋位置，但显示分辨率相对较差；同时在埋深45～60cm范围见电磁波异常反射界面，推断可能为二次衬砌混凝土上底界面与初期支护间存在脱空，或初期支护背后存在空洞。如图4—5所示。

3.3 钻孔验证

为验证检测成果，选取北干渠两个标段进行钻孔验证工作。其中在北干第2标段布置钻孔4个；在北干第4标段布置钻孔4个。钻孔位置主要选取检测成果中推断无脱空、轻微脱空以及严重脱空三种部位，采用高清孔内摄像观测孔内情况。结果表明8个钻孔验证情况均与检测成果高度吻合，现选取三个典型钻孔验证成果如图6—9所示，成果分析见表1。

图6 钻孔BZK4验证成果图

图7 钻孔BZK5验证成果图

表1 钻孔验证成果汇总表

图8 钻孔BZK6验证超声横波反射成果图

图9 钻孔BZK6验证探地雷达成果图

4 结论

结合隧洞衬砌结构特点，综合采用阵列超声横波反射成像和探地雷达扫描等物探技术对引水隧洞混凝土衬砌质量进行无损检测，取得了理想的检测效果。通过钻孔验证进一步证明了技术的可靠性和准确性。通过上述应用研究得到几点结论：

(1)超声横波反射成像探测，对混凝土衬砌内部结构及上底界面脱空反应清晰、灵敏度高，信息量大，成果分辨率及探测精度比探地雷达要高；同时可根据横波反射信号强弱来判断混凝土界面胶结程度，对指导后期灌浆加固处理具有重要意义。

(2)探地雷达用于隧洞衬砌探测过程中，采用900MHz天线，能清晰反应衬砌混凝土内部钢筋结构，但由于钢筋对电磁波吸收作用，穿透两层钢筋后电磁波能量损耗较大，钢筋层后部结构信息不明；采用400MHz天线获得深部信息更加丰富，因此，采用组合天线能更好满足隧洞衬砌质量检测需要。

(3)由于横波遇连续波阻抗界面几乎全反射，当衬砌与初支间存在脱空时，横波无法穿透该结构，无法探测到脱空后初期支护及围岩情况；而电磁波穿透性强，在电性差异界面仅部分能量反射，剩余电磁波可穿透该界面，到达界面以下结构，从而可探测初期支护后围岩结构情况。因此将超声横波反射成像与探地雷达技术相结合，可以获得更全面的隧洞衬砌质量信息。