地质雷达无损检测隧道衬砌质量试验研究

□文/王 旭 张 新

我国已是世界上公路隧道里程最长、规模最大、发展最快的国家［1］。在建隧道需要对衬砌质量进行控制，运营隧道病害评价是隧道提质升级的前提，因此隧道衬砌检测是隧道病害诊断的一项重要内容［2］。

地质雷达法常用于工程探测，但应用于隧道健康诊断还存在很多问题［3］。本文以隧道衬砌厚度为出发点和落脚点，在现有试验室条件下，模拟2 类衬砌结构，从雷达天线频率、防水板、混凝土龄期、衬砌钢筋等4 个因素开展研究，综合分析与衬砌混凝土介电常数相关的各因素对地质雷达法检测的影响。

1 试验方案设计

1.1 试件制作

共制作3 个试件。其中：2 个试件尺寸为130 cm×60 cm×40 cm，材料分别为钢筋混凝土和普通混凝土（即素混凝土），定义为A型试件和B型试件：A型和B 型试件分别模拟隧道初支的钢筋混凝土二衬结构和普通混凝土二衬结构；1 个板壳试件尺寸为65 cm×60 cm×10 cm，材料为普通混凝土，定义为C 型试件。复合式衬砌结构：（A+防水板+C）型试件模拟钢筋混凝土二衬结构+初期支护，（B+防水板+C）型试件模拟普通混凝土二衬结构+初期支护。

以拌和站混凝土为基础，按大体积混凝土配比，采用C30强度等级。水泥∶细集料∶粗集料∶水∶粉煤灰∶外加剂=291∶844∶1032∶160∶73∶2.548，水胶比0.44，砂率45%，粗集料掺配比（4.75～9.5 mm）∶（9.5～19 mm）∶（19～31.5 mm）=10∶60∶30。浇筑混凝土时采用振捣棒均匀振捣。所有试件拆模后，在侧面涂抹防水油脂，使试件只有表面的水分蒸发，这与隧道衬砌结构表面的水分蒸发是一致的。

1.2 检测设备

选用美国劳雷工业有限公司生产的SIR-20 主机和中心频率400、900 MHz 的两种屏蔽天线，参数以仪器默认设置为准。

1.3 试验方案

模拟隧道初支及复合式衬砌的地质雷达厚度检测，龄期为3、7、14、28 d，天线频率为400、900 MHz。

2 介电常数标定

进行介电常数标定，首先应完成现场雷达波速测定。雷达波速测定的原理是利用已知厚度的试件或介质对雷达波的强反射，从雷达单道波形图上读取雷达波的双程走时，反算得到混凝土相对介电常数εr。

式中：v——现场雷达波速；

d——雷达波单程距离；

t——雷达波的双程走时；

c——光速。

分别以400、900 MHz 天线测定28 d 龄期的两种衬砌结构试件进行介电常数标定，结果见表1。

表1 龄期28 d时两种衬砌结构试件介电常数标定值

3 试验结果分析

3.1 雷达天线频率影响

不同天线频率下检测的试件厚度见图1。

由图1可以看出：

1）当龄期为3 d 时，900 MHz 频率天线无法检测40 cm厚度的混凝土；当龄期为7 d时，900 MHz频率天线无法检测40 cm厚度的钢筋混凝土及其组成的复合式衬砌，但是，测试素混凝土及其组成的复合式衬砌精度较好；当龄期为14 d或28 d时，900 MHz频率天线可以检测40 cm厚度的两种结构衬砌；

2）当龄期为3、7、14 d 时，400 MHz 频率天线检测素混凝土及其组成的复合式衬砌精度较好，检测钢筋混凝土及其组成的复合式衬砌误差大，不宜使用；龄期28 d 时，适宜检测初支混凝土，不宜检测复合式衬砌；

3）当检测厚度为40 cm、龄期14 d 或28 d 时，900 MHz 频率天线较400 MHz 合适。检测衬砌混凝土质量，应根据设计文件或现场实际情况，选择最合适的地质雷达频率天线。

3.2 防水板影响

由图1可以看出，无论何种混凝土龄期，复合式衬砌较初支结构检测精度差，推测是防水板的影响。

3.3 混凝土龄期影响

由图1可看出：

1）采用400 MHz频率天线检测四种混凝土龄期B型试件，其实测厚度依次为0.42、0.42、0.40、0.40 m，也就是说随着混凝土龄期的增长检测厚度是减小的，但是龄期越长，检测厚度越接近真实厚度；A 型、（B+防水板+C）型、（A+防水板+C）型试件的实测厚度更加偏离真实厚度；说明400 MHz 频率天线不适宜40 cm 厚度构件的检测；

2）900 MHz频率天线在3 d龄期内无法测试40 cm厚度的试件；在14、28 d 龄期下，四种试件检测厚度与实际厚度基本吻合；龄期越长，混凝土强度越高，实测厚度越真实。

因为，随着混凝土龄期的增长，其物质状态越贴近实际，只要采用合适频率的天线，其实测厚度与真实厚度越接近。

3.4 钢筋影响

由图1可以看出：

1）龄期7 d时，900 MHz频率天线检测B 型厚度为0.40 m，但未检测出A 型试件厚度；（B+防水板+C）型检测厚度为0.51 m，但未测试出（A+防水板+C）型厚度，上述两种情况试件的差别仅限于有无配筋；可以推断，钢筋影响了地质雷达检测的功能性和准确性；

2）900 MHz 频率天线检测龄期14 d 时的四种试件，B 型试件检测厚度为0.38 m，A 型为0.39 m，两者与真实厚度基本一致；（B+防水板+C）型检测厚度为0.50 m，（A+防水板+C）型检测厚度0.53 m，两者与真实厚度也基本一致；但是，从四个龄期整体看，未设配筋的试件检测厚度相比设置配筋的混凝土试件更接近真实值；因此判定，钢筋对电磁波的强反射作用，削弱了地质雷达检测衬砌混凝土的功能性和准确性。

4 结论

1）在现场检测中，应实时标定混凝土介电常数值。

2）检测衬砌混凝土质量，应根据设计文件或现场实际情况，选择最合适的地质雷达频率天线。

3）防水板对混凝土厚度的影响是其放大了结构的检测厚度。

4）随着混凝土龄期的增长，其物质状态越贴近实际，只要采用合适的检测厚度的频率天线，其实测厚度与真实厚度越接近。

5）钢筋对电磁波的强反射作用，削弱了地质雷达检测衬砌混凝土的功能性和准确性。□■