关于隧道拱顶质量无损检测装置的研究＊

李梦晨，赵之仲，王日升

（山东交通学院交通土建工程学院，山东 济南250357）

1 引言

隧道工程是隐蔽性工程，衬砌完工后肉眼很难看清衬砌厚度与衬砌背后的状况。尽管施工后定期采用无损检测技术检查隧道衬砌质量，但由于各种原因，检测结果仍不令人满意，甚至一些地方只能采取人工敲击的方法来检查隧道衬砌的质量[1]。隧道工程受地质作用影响较大，隧道开挖使围岩应力得到释放，要在很长时间内调整支护后应力。如果围岩较差，衬砌背后土质松软无力，运营后，在动荷载的作用下，加上地质与水文的作用，会产生隧道病害[2]。

目前，对于隧道拱顶质量的检测，除了人工敲击检查外，最常用的无损检测方法是接触式探地雷达方法。需在停电的情况下使雷达天线紧贴隧道壁，一般一次只布置一条测线，接触网的遮挡致使拱顶检测十分困难，且对隧道病害进行检测的同时需要禁止通车或限行，给隧道的运营以及人们的正常出行带来极大的不便，因此利用探地雷达进行隧道病害检测难以满足现状和日益增长的交通需求。山东大学发明的隧道二衬质量雷达检测多功能辅助装置中包含了雷达天线固定装置，与固定装置连接的升降机构、与升降结构连接的环向行走机构及其动力系统，采用逐面探测的方式进行病害探测，虽然数据准确，但效率低下。

在这种背景下，本文将激光检测和雷达检测相结合研制出的新型检测装置，能够快速、准确、无损检测隧道衬砌的病害，实时检测，随时反馈隧道衬砌的健康完好状况。

2 隧道拱顶质量无损检测装置的结构设计

本文研究的装置包括轨道、行走机构、安装平台、中控室、激光隧道断面检测仪和探地雷达检测仪共六部分。所述轨道固定在隧道内衬上，两根轨道在隧道内沿着隧道的方向设置，彼此平行，吊装的安装平台位于轨道下方，在行走机构的驱动下该安装平台具有沿着轨道方向运动的动作，在安装平台上固定弧形支架，该弧形支架平行于隧道断面，且在弧形支架上可滑动的安装滑台，滑台内安装着电机和齿轮，该齿轮与弧形支架上的齿啮合，滑台具备沿着弧形支架行走的动作；探地雷达检测仪固定在所述滑台上且该探地雷达检测仪的雷达工作面正对着隧道内衬；激光隧道断面检测仪设置在安装平台上且该激光隧道断面检测仪的激光工作面正对着隧道内衬。此装置还包括与弧形支架平行的弧形导轨，该弧形导轨固定在上述安装平台上。在该弧形支撑架上设置有一个大体相当的弧形导轨，该弧形导轨两端安装在弧形支撑架端盖上，并使得两个弧形体保持基本平行的等距间隔，所述雷达工作面与隧道内衬基本贴合；所述激光隧道断面检测仪为BJSD-T2 型激光隧道断面检测仪，该激光隧道断面检测仪直立地安装于安装平台的前端侧面部；所述行走机构包括驱动电机和一套减速器，并通过摩擦轮的摩擦传动与轨道配合。

3 隧道拱顶质量无损检测装置的具体实施方式

本文研究的此种安置在隧道衬砌上的有轨式检测隧道内衬病害情况的检测装置，其结构如图1～图6 所示，设有轨道、行走机构、安装平台及中控室、激光隧道断面检测仪、安装支架、探地雷达检测仪、弧形支架、驱动机构。

图1 隧道拱顶质量无损检测装置结构1

图2 隧道拱顶质量无损检测装置结构2

图3 隧道拱顶质量无损检测装置结构3

图4 隧道拱顶质量无损检测装置结构4

图5 隧道拱顶质量无损检测装置结构5

图6 隧道拱顶质量无损检测装置结构6

上述的轨道部分采用L 角钢，通过锚栓等工具固定在隧道内衬上。在隧道内沿着隧道的方向设置轨道，数量为两个，彼此平行，支撑行走机构，形成驱动。安装平台位于轨道下方空间内，用于安装中控室、激光隧道断面检测仪、探地雷达检测仪等功能仪器。其中安装平台采用铝合金骨架，通过铆接形成一个长方体框架，并在该铝合金骨架的外侧覆盖一层铝板，形成一个封闭的空间，该封闭的空间为中控室的安装空间，用于安装控制电路板、信号发射和接受器、电源等电气元件。在铝合金骨架上安装激光隧道断面检测仪、安装支架、探地雷达检测仪、弧形支架，所述激光隧道断面检测仪直立地安装于安装平台的前端侧面部，安装后，将该激光隧道断面检测仪上自带的激光传感器，对准隧道内衬面，即对准弧形的内衬面进行扫描，在具体的检测工作中，先用激光对隧道拱顶断面进行扫描。每次扫描完一个断面，行走机构中的电动机开始工作，行走机构驱动上述的安装平台及其附件行走一段距离。行走机构驱动整个装置行走，具体来说，在安装平台上部安装有四根吊杆，吊杆上端安装有尼龙轮或者钢轮，简称行走轮，并在其中的一根吊杆上安装行走机构，行走机构由一个驱动电机、一套减速器和一个摩擦轮组成，上述的驱动电机通过减速器驱动摩擦轮进行转动，摩擦轮则与对应吊杆上的行走轮进行摩擦配合，如此驱动整个装置沿着轨道运动。

当激光隧道断面检测仪检测到内衬局部有缺陷或者损坏时，使用探地雷达进行二次详细确认扫描，该探地雷达通过近距离的检测，进一步确定内衬损坏的程度、大小和其他因素。所述探地雷达安装在一个弧形支架上，将该支架做成弧形，即与隧道弧形部大体相当的弧形支撑架，该弧形支架的中部通过紧固件固定在上述的安装平台上，具体来说，安装在安装平台的后部，与上述的激光隧道断面检测仪相对地一前一后设置在安装平台上。在该弧形支撑架上设置一个大体相当的弧形导轨，该弧形导轨两端安装在弧形支撑架端盖上，并使得两个弧形体保持基本平行的等距间隔。

在弧形导轨上安装一个滑台，滑台内安装有微型电机和齿轮，构成驱动机构，在弧形支架上设置有与上述齿轮啮合配合的齿。也就是说，通过上述微型电机和齿轮啮合可以使滑道在弧形导轨所在的弧形面上进行移动，该移动位置基本覆盖隧道内衬弧形部，当激光隧道断面检测仪发现大致的损坏部位后，启动该滑台，采用自动或者半自动或者遥控控制方式将该滑台移动到对应的损坏位置，进行复检。

所述探地雷达工作面正对着隧道内衬，其与上述的隧道内衬基本贴合，通过近距离扫描获得病害的详细信息。所述探地雷达是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的分界面时发生反射，根据接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。

4 隧道拱顶质量无损检测装置工作过程

装置启动后，激光隧道断面检测仪会沿既定导轨对隧道断面进行全方位扫描，如果没有发现病害，则前进一段距离，例如1 m，扫描下一个断面。当发现隧道病害后，由于断面检测仪的精度不如探地雷达，此时中控室将自动启动探地雷达，将探地雷达沿导轨移动至病害部位，进一步检测病害。由于探地雷达能够沿着弧形导轨移动，且与隧道内衬基本处于贴合状态，二者间隙小于1 cm，因此获得的病害数据更加精准。

采用本文研究的隧道拱顶质量无损检测装置，对隧道拱顶质量按照设定的程序进行自动监测，不仅在一定程度上减轻了人力负担，还能够降低利用探地雷达检测时对于监测图像的人为主观判断的失误率，克服了以往检测装置的弊端，改进了技术，具有激光检测和探地雷达检测的双重优势。因此，此装置适用于任何情况下的隧道衬砌的病害检测，成本低，检测效果好，推广前景好。

5 结论

采用本文研究的隧道拱顶质量无损检测装置，可以对隧道拱顶质量进行无损检测，不仅克服了以往检测装置的弊端，而且改进了技术，具有激光检测和探地雷达检测的双重优势。在进行具体的检测时，其轨道与内衬的高度贴合能在不影响车辆正常通行、不影响隧道正常运营的情况下对隧道拱顶质量进行实时监测，大大提高了检测效率及检测质量。