无损检测技术在隧道工程测量施工中的应用

2022-03-06刘耀龙

设备管理与维修 2022年2期

刘耀龙

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100）

0 引言

隧道结构耐久性是隧道施工技术情况的直接反映，但隧道工程工序相当繁杂，很多不确定因素都会对隧道结构耐久性造成影响，要使隧道工程质量得到保障，在工程施工结束后还应通过相应技术对隧道结构强度、外观与裂缝状况给予检测[1]，若被测项目符合检测标准才预示着隧道工程施工质量达标，若其中一个测量项目与标准不相符，则应重新施工或制定补救措施来给予处理[2]。传统的质量检测方法即对隧道断面给予抽样，通过测点选择，以钻孔或开槽法了解衬砌回填状况、衬砌厚度等，获得混凝土试件开展强度试验，以综合评估隧道结构。该方法的弊端较明显，具体表现为：①钻孔或开槽环节会耗费相当长的时间，工作效率不高[3]，并且会危害隧道结构本身；②对于一些隐蔽的缺陷无法及时发现，因此就不能全方位掌控隧道情况。铁道部等相关机构在国外技术的参考下展开了大量科研试验，探究出了满足我国隧道工程施工质量检测的无损检测法。

现在无损检测技术在我国隧道工程施工中的应用已非常成熟，同时在TB 10233—2004《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》中也进一步明确了铁路隧道无损检测方法与内容，为该技术的应用指出了方向。为了进一步认识该技术，下面对其在隧道工程测量施工中的应用展开论述。

1 隧道与无损检测技术

1.1 隧道结构

隧道结构的隐蔽性相当强，通常修建在具备一定深度的地下，结构得到岩土体的充分包围，导致设计理念、结构特征、施工方法和其他工程结构存在明显区别。

1.2 无损检测技术

无损检测技术是非破坏性检测，即确保待测物质原来状态、性质等不受破坏的情况下，为得到和待测物品质相关的性质、内容或成分等化学、物理情报而使用的检测方法。近两年，因人们对无损检测技术应用的日渐深入，该技术在武器制造、锅炉与压力容器、机械工业、海关检查、造船、航空航天、隧道工程与高速火车等领域均得到了广泛应用，尤其是在隧道工程中的应用更是备受关注。

无损检测技术的功能：①及时找出构件表层或内部不足，且对不足展开定量或定性分析；②测量机械强度、材料物理性能、组织结构等；③测定构件几何尺寸、表层腐蚀情况、涂层或镀层厚度等；④测定现场动态情况，为检测者提供存在问题之处的变化信息，达到对这些不足的实时监控。

2 无损检测技术在隧道工程中的应用

无损检测技术依照检测是否会为构件、结构等带来破坏，被细分为非破损检测法与半破损检测法，前者涵盖了超声法、回弹法、磁测法、超声—回弹综合法、电测法等，后者涵盖拔出法、钻芯法等多种。在隧道工程测量施工中得到大力应用的无损检测技术有地质雷达法、超声法、回弹法等。

2.1 回弹法

回弹法即经回弹仪对混凝土构件强度进行检测的方法（图1），其原理为：借助弹簧驱动的重锤，经弹击杆对混凝土表层进行弹击，测量重锤受反弹后的距离，将回弹值视作强度相关指标推测混凝土强度，为表面硬度法的一种[4]。该法的不足即检测精度有所欠缺，会受到仪器性能、操作方法、气候条件等的影响，不过因设备操作便利、可快速测出结果等优点，在我国道路交通施工中得到了大力推广应用。

图1 回弹仪

经超声回弹综合法对隧道衬砌强度进行测量，先通过回弹仪对混凝土表层硬度给予测量，也就是回弹值R，再经超声仪对超声波在混凝土构件里的传播时间t 给予测量[5]，计算出超声波在混凝土里的声速值v，依照回弹值R 与声速值v，借助地区专用曲线测量或全国统一曲线测量公式进行混凝土强度值换算，并根据混凝土力学试验办法规定进行强度推测。

2.2 地质雷达法

地质雷达即依靠高频脉冲电磁波对混凝土与下覆介质形态或结合形状改变情况进行探测，经计算机对形成的回波能量、相位与波形改变等给予分析并成像，从而掌握结构相关特性。该法的原理即电磁波技术应用，主要在电磁理论基础上演变而来。

2.2.1 电磁波在介质里的传播速度：

式中 c——真空里电磁波传播速度，km/s

εr——介质的相对介电常数

介质介电常数会对介质里传播速度造成直接影响，同时处于不同介质的电磁波传播速度存在差异。

2.2.2 电磁波反射

电磁波处于不同介质表层伴有反射与折射现象，反射系数计算公式即：

式中 R——反射系数

ε1、ε2——界面两侧相对介电常数

地质雷达经电磁波反射进行反射信号收集，通过数据处理后对结构缺陷进行判定。得知界面两侧相对介电常数与反射系数呈正相关，前者越大，系数越大，则会出现更强烈的反射现象。

2.2.3 地质雷达在隧道衬砌检测中的原理分析

（1）地质雷达对衬砌厚度进行检测。发射天线T 发射电磁波，由天线R 接收反射结果，并经地质雷达反射图像明确反射层，测量反射波双程走时t，获得衬砌厚度（图2）。计算公式为：

图2 地质雷达收、发原理

式中 z——衬砌厚度，m

t——反射波双程走时，s

v——介质里电磁波的传播速度，m/s

x——收、发天线间距离，m

（2）地质雷达对隧道衬砌结构进行检测。轴向检测：主要是顺隧道轴向进行5 条测线（包括右拱腰、拱顶、左边墙、左拱腰、右边墙）布置。若只进行3 条线检测时，务必要加强拱部的检测[6]。横向检测：顺隧道间隔相应距离进行一条剖面线布置，对该线进行检测；检测期间应确保发射与接收天线以及隧道衬砌表层紧贴。现场采集的数据经降噪、滤波、均衡等一系列处理后，能够得到可将隧道情况直观呈现的图纸或数据信息。地质雷达法因探测精度相当高，同时可持续扫描得到隧道探测准确结果，故而在隧道施工测量中同样得到了大力应用。

2.3 锚杆质量无损检测

锚杆属于无损检测法中的新型检测方法之一，在隧道工程施工检测中的应用也非常受关注。锚杆无损检测主要由应力波理论与弹性波反射而得，即对锚杆外露顶端加速度或速度响应曲线进行测量，根据波动理论来对锚杆长度与关注砂浆饱满性进行评估，并根据砂浆锚杆饱满度对反射波相对能量比值给予判定。锚杆检测仪包括分析处理软件、发射震源、检波器与采集仪等（图3）。

图3 锚杆检测仪

2.4 红外线高温照相技术

红外线高温照相技术在隧道工程测量施工中的应用主要是进行隧道墙体辐射热的测量，经红外线记录系统显示出墙体表层温度，表层温度实质即流动于墙体表层的热量[7]，故而墙体表层温度异常可直接呈现出结构异常。

在隧道工程测量施工检测中，红外线扫描器或照相机在移动车厢安装后，对衬砌与围岩间水处于差异化温度下流动、衬砌后地质条件改变、空洞、衬砌缺陷进行测量，实用性强。因该法的使用需在显著温度梯度下完成[8]，故而冬季温差大的情况下使用最佳。另外，该技术使用期间隧道表层应清除所有覆盖物或设施设备，不然会影响整个热流渗透，故而在病害问题的检测过程中，流水量会因时间改变而发生变化，进而影响最终测量结果。

2.5 GPS 桥梁三维位移检测技术

GPS 桥梁三维位移监测技术即经导航卫星附带的实时站点三维坐标来完成路桥工程的检测，主要是在桥梁进行监测点安置，再在管理中心进行GPS 基准站建设，和计算机系统彼此结合保证检测工作顺利进行。该技术的检测过程主要根据卫星信号各监测站具体状况，经GPS 基准站发送计算出的差分数据，各监测站结合差分数据对坐标数据进行计算，控制中心计算机系统接收坐标数据后，依靠计算机完成后阶段计算与分析。