无损检测技术在隧道工程质量检测中的应用

程仕峰，谢经然

摘 要：以隧道工程作为研究对象，重点探究了隧道工程质量检测的相关技术。以探地雷达检测技术的基本理论作为切入点，引入理论总结和案例分析法，指出了隧道工程中无损检测技术的具体应用流程及注意事项，说明无损检测技术特别是地质雷达检测的优势。在各种规模及类型的隧道工程中，相关人员需合理利用地质雷达检测技术，以评估隧道工程的结构性能与质量要求是否一致，从整体和细节角度发现质量缺陷的类型、位置、形状，为处理隧道工程质量问题提供有效依据。在利用该技术进行隧道工程质量检测时，需结合实际情况选定地质雷达检测设备、技术参数，优化检测路径，以高质量、高效率完成检测任务，为实际工作提供有效参考。

关键词：隧道工程；无损检测技术；质量检测；应用

中图分类号：U45                                   文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2024）05-0079-03

0 引言

隧道工程的结构复杂，无论是施工建设还是后续检测都面临一定的难点。为评估隧道工程的质量情况，有关人员必须合理利用无损检测技术。隧道工程质量检测中应用无损检测技术，能在非破损的条件下判定隧道结构的质量缺陷、结构安全，帮助相关人员及时发现隧道施工问题，采取更有针对性的解决措施。每一隧道工程都有各自的特征，在无损检测过程中相关人员需立足实际，制定科学的无损检测技术方案，发挥技术的效率、精度优势。

1 基本理论

无损检测技术具有明显优势，它不破坏被检测对象的结构或者基本性能，高效检测下能得到相对准确的结果。当前超声检测、液体渗透检测、射线检测、磁粉检测等均属于无损检测，这些检测方法既能单独使用，也可以两种或两种以上结合使用。

1.1 探地雷达基本原理

探地雷达的主要构成为发射天线、接收天线、信号处理器。雷达波在地下介质中传播时一旦物体界面有所变化，其传播受阻，将出现明显的反射、绕射现象。介质介电特性、几何形状有所不同，雷达波的传播路径、速度、波形等也会发生显著变化[1]。天线接收到反射波后，通过分析其往返时间、幅度与波形等基本信息，即可判定雷达波的传播特点，进而分析其传播介质的类型及变化。探地雷达的工作原理如图1所示。图1中X表示的是发射天线与接收天线的距离，单位为m，D表示的是被测物体的埋藏深度，单位为m。

1.2 电磁波传播规律

为发挥探地雷达的检测优势，精准判定质量缺陷，需获取雷达电磁波的传播速度、时间等关键参数。根据现有理论和实践探究，计算公式如式（1）所示。

（1）

式中，v、c、εr分别为电磁波在介质中的传播速度、电磁波在真空中的传播速度、相对介电常数。

物质界面上电磁波的反射系数与介质的相对介电常数存在紧密联系，其变化规律如式（2）所示。

（2）

式中，R、εr1、εr2分别为反射系数、介质的相对介电常数。

自然界中的物质种类繁多，每种物质都有各自的相对介电常数，在清楚相对介电常数的前提下可直接判定物质的类型。雷达波在每种介质中都有各自的传播特性，在特殊类型的介质中传播时雷达波传播路径、波形等存在显著变化。当获得传播特性后，即可判定传播介质的具体情况，从而判定介质是否有变化或者存在其他情况。

针对隧道工程项目，考虑到其结构特殊性，在利用探地雷达技术进行检测时雷达波一般需经历多种介质，如围岩、衬砌混凝土、钢拱架、钢筋。

1.2.1 混凝土

隧道结构中衬砌，可细分为初支、二衬，核心材料为混凝土。施工建设中为达到结构标准，施工人员应在特定的配合比下充分混合水泥、水等材料，将形成的混合物振捣搅拌，以使混凝土密实度基本符合施工要求。当衬砌混凝土施工良好，无质量缺陷时，雷达波在此介质中传播时得到的图像稳定且连续；但如混凝土施工不规范，存在结构缺陷，雷达波图像在局部缺陷位置将无明显规律[2]。

1.2.2 钢筋与钢拱架

衬砌结构中也有钢筋和钢拱架介质，当雷达波穿越这些介质时，基本可保持良好的传播状态，几乎无衰变问题。但如雷达波穿越衬砌混凝土、钢筋与钢构架的交界面，其传播路径将发生变化，主要存在反射现象。通过专业接收装置可全面分析雷达波的传播过程，并可将绘制出雷达剖面图，便于结合图像结果来分析交界面位置或者其他异常情况。

1.2.3 围岩

隧道工程质量应用探地雷达技术检测时，也需要分析雷达波穿越围岩时的情况。在工程现场围岩无明显的规律性，局部位置可能因其他干扰因素，影响信号的反馈。混凝土、围岩的相对介电常数不同，在雷达剖面图中可清晰呈现这一差异，而利用这一差异性即可确定衬砌厚度。

2 案例分析

2.1 工程概况

某隧道工程项目，总体上属分离式隧道，间距30 m，右线起讫桩号为K119+730～K120+685，总长0.955 km。本项目地形地质条件复杂，主要位于低山丘陵地段， 多分布有大量形态不规则、高低各异的山体。

项目前期阶段，有关人员进入现场展开了一系列勘测，发现此处多为中风化板岩，岩体破碎严重，易出现坍塌风险。伴随着施工作业的持续开展，洞室出现渗漏水的几率较高，影响了正常的施工作业。考虑到本项目的实施要求，初期支护采用12～26 cm C25喷射混凝土，初期支护采用无钢拱架结构，或者也可采用间距为0.5～1.2 m的钢拱架结构体系。二次衬砌厚度为0.4～0.5 m，采用的是C30标号的混凝土。

2.2 选择检测设备

综合考虑隧道工程的结构特征，为得到相对准确的结果，选用的是PLT600型探地雷达。

2.3 布设隧道测线

本隧道工程的检测对象为衬砌，正式检测之前相关人员需全面了解隧道的结构特点、环境特征等，在此前提下制定最优的检测计划，其中应包含检测方法、技术路径、设备配置等基本情况。为获得高精度的检测结果，首要工作是布置测线，总共布设5条检测线，分别位于隧道左边墙、右边墙、左拱腰、右拱腰、拱顶[3]。

2.4 采集现场数据

2.4.1 设置参数

探地雷达检测技术中，技术参数是影响检测精度的重要方面。针对本隧道工程中的检测任务，重点应关注扫描速度、脉冲重复频率、道间距等。相关人员进入现场调研后，为获得完整和准确的检测结果，需按照以下要求设定参数：扫描速度＞800扫/s，脉冲重复频率为160 MHz，时窗为263 ns，道间距为0.02 m，波速为100 m/μs。

2.4.2 操作要点

检测工作开始之前，主管人员需合理安排相关人员的工作任务，向这些人员传授基本的操作要求，使人员熟悉探地雷达检测规范，并细分这些检测人员的工作任务。

探地雷达极高的检测要求，相关人员必须了解天线的前进方向、天线与被检测衬砌混凝土面应直接接触。检测人员之间需加强配合，严格执行检测规范。天线操作人员不仅要根据要求来操作天线，更需要与其他岗位人员高度配合，促进检测工作的顺利开展并同步记录数据，一旦发生异常情况，则需要进入应急状态，以免问题处理不及时影响检测进程。现场检测线数量为5条，技术人员需准确掌握每一条检测线的具体位置及其周边情况，记录关键参数。

2.5 地质雷达波形分析

2.5.1 数据处理分析

经过探地雷达检测得到的雷达数据为原始数据。根据电磁波在介质中的传播特性，介质吸收电磁波，会造成反射信号的逐步衰减，一旦电磁波传播期间介质的均匀性不足，设置伴随着漫反射现象。针对上述问题，为获得相对准确的检测结果，应保留全部的反射波，记录反射的电磁波有效信号、干扰信号。数据处理的终极目标为消除其中的干扰信号，以得到有效分布波形图，方便相关人员在得到此图形后能深入分析隧道衬砌的质量情况[4]。

本次探地雷达所选择的设备，在处理数据时需配套Reflexw后处理软件，为此需按照以下步骤完成滤波处理：①去直流漂移、去除零漂。②切除其中的直达波，确定被测介质表面。③对所获取的深部信号进行增强处理，以方便相关人员更为清晰地辨认。④去除水平信号干扰。⑤去除高频和低频信号，筛选出其中的可用信号。⑥剔除毛刺噪声干扰，进入图像平滑处理阶段。

2.5.2 典型雷达图像分析

Reflexw后处理软件具有多种功能，在基本的检测任务结束后，此软件能全面分析雷达波形图像，从中提取出关键信息。具体处理过程中需增强目标信号，去除其中各种类型及来源的干扰信息，用处理后的图形来评估衬砌结构的实际情况。

本隧道工程现场的环境恶劣，直接采取一般的分析方式无法得到有效的结论，为此在处理图像、分析结果期间相关人员也需要考虑地形干扰。大量的理论分析与实践探究结果显示，混凝土密实度、钢筋分布等对衬砌检测过程的影响较大。混凝土密实程度、钢筋分布与反射信号的幅度有关，如衬砌结构中局部位置钢筋分布、混凝土密实程度等与施工要求不一致，此处的波形图将存在突变现象。

2.5.2.1 空洞与脱空

在隧道工程中，空洞与脱空为相对常见的质量问题，表现为隧道二次衬砌、初期支护之间或者初期支护与隧道围岩间有缝隙等现象。结合大量的施工经验，此现象的原因可能为：①二衬浇筑作业期间相关人员未执行混凝土振捣作业，导致混凝土的密实度不达标。②防水板铺设时未遵循铺设要求，铺设的平整度不符合要求，局部位置的防水板鼓起，衬砌浇筑期间易产生空洞。③隧道拱顶部位封闭窗口时，混凝土用量过少。④地下水持续侵蚀围岩，长期作用下部分围岩区域有孔隙和空洞现象[5]。

在检测空洞与脱空质量缺陷时，雷达波在传播过程中会遇到空气、混凝土、围岩等多种介质。每种介质都有其对应的介电常数，因为介电常数的差异，在隧道的空洞、脱空等位置经常有空气渗入。当雷达电磁波在衬砌混凝土、空气等介质中传播时，其反射信号相对较强，有关装置可同步采集到相应的信号。但如衬砌结构中有空洞与脱空，电磁波信号在此位置将发生突变现象，装置所接收到的图像也会出现异常变化。通过分析图像特征不仅可判定质量缺陷的具体类型，还能定位缺陷，了解形状等基本特点。

2.5.2.2 钢筋、钢拱架分布

衬砌结构对隧道稳定与安全的影响较大。考虑到衬砌结构性能规定，选择了HRB400型钢筋、工字钢钢拱架。这两种钢材的导电性能优越，雷达电磁波传播期间如经历这两种介质，反射信号强烈，在图像中清晰可见。根据实际的检测结果，衬砌内钢筋雷达反射波呈连续分布状态，即使存在一定变化，也表现出明显的规律性特征。钢拱架雷达反射波波形分散，有关人员通过判定雷达波形情况，即可直观分析衬砌结构中钢筋的分布位置、形态，判定钢筋数量、间距等是否与施工要求相一致。

2.5.2.3 衬砌厚度

隧道衬砌施工中对厚度有严格规定，如衬砌厚度不符合施工要求，将增大隧道结构风险，使工程投入使用后易出现安全事故。因此，隧道工程质量检测中相关人员需检测衬砌厚度，利用探地雷达技术测定衬砌厚度大小，将测定结果与设计值进行对比。

本工程项目中所选定的探地雷达检测技术，在获取了雷达波数据后，相关人员需采取合理化措施处理数据。此后利用Reflexw处理软件“分析-拾取”命令拾取层操作，直接得到二次衬砌的厚度、初支与围岩界限的相关信息。相关人员利用探地雷达检测技术，可直接分析雷达波形图形，据此判定二衬厚度。

如果隧道工程中素混凝土二衬中未布设钢筋，图像能清晰呈现二衬与初支之间的层间信号反射情况。再利用Reflexw处理软件“分析-拾取”命令，即可筛选初二衬与初支之间的分界面，获取二衬厚度值。如二衬结构中布设有钢筋，二衬钢筋与初支钢拱架之间的电磁波反射信号之间会产生一定干扰，难以清晰确定分界面，不利于获取二衬厚度。为实现高效、清晰判定，相关人员需适当放大图像比例，从中选出强反射层位界面，以判定二衬厚度是否与施工要求相一致。

3 结束语

探地雷达检测是广受关注的无损检测技术，此技术在很多领域都有成功的应用，特别是在隧道工程的质量检测中，该技术具有突出优势。未来有关人员需根据探地雷达技术的发展及应用情况，扩大此技术的应用范围。

参考文献

[1] 秦德崴.运营隧道衬砌开裂无损检测综合技术应用分析[J].运输经理世界，2022（27）：101-103.

[2] 韩景阳.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].江苏建筑，2022（S1）：49-51.

[3] 马学志，段培勇，李健超.基于红外热成像的朔黄铁路隧道衬砌渗漏水检测技术[J].铁道建筑，2022，62（8）：126-129.

[4] 汪洋.地质雷达在公路隧道交工检测中的应用[J].工程建设与设计，2022（14）：122-124.

[5] 贾金晓，张逸，赵益鑫.公路隧道衬砌质量缺陷及雷达检测技术[J].科学技术创新，2022（14）：95-98.