无损检测在隧道工程中的应用简介

无损检测技术在隧道工程中的应用简介摘要：本文根据土木工程测试技术课程内容，结合隧道工程知识背景，初步介绍无损检测在隧道工程中的应用。主要包括锚杆质量检测仪检测锚杆质量，回弹仪检测混凝土强度，地中雷达检测二次衬砌厚度、格栅钢架及钢筋网的布置。关键词：隧道工程无损检测二次衬砌地质雷达1、概述随着我国经济建设的快速发展，交通工程已经成为经济发展的强力驱动与支撑，高等级公路、高速铁路的建设得到极大推进。隧道工程由于具有优化道路线形、缩短公路里程、保护生态环境等特点，日益引起人们的重视，修建的数量越来越多，规模越来越大。表1为我国近年公路隧道统计表：年份20032004200520062007公路隧道数量/(座)21752495288937884673长度/(Km)1000.81245.61527.01841.82555.5特长隧道数量/(座)2733434983长度/(Km)99.7126.3165.9191.8361.0表12003年～2007年我国公路隧道数量统计表由于隧道工程地质环境特殊、施工环境恶劣，并且施工工艺、管理水平等因素都会对隧道质量产生影响，所以必然会造成施工质量难以保证的问题；同时隧道运营受周围环境影响较大，所以在隧道运营中也常会出现各种病害。以我国铁路隧道为例，到2003年底，我国铁路运营隧道5200多座，其中60%以上存在着各种不同程度的病害。它们不但损害了隧道的整体结构，并且对铁路运营安全构成了极大威胁。所以，我国相关法规规定，隧道交付使用前要进行全面的结构检测，同时，运营中的隧道每隔固定年份也要进行结构检测。我国隧道传统的质量检测方法是在隧道断面上进行抽样，选取测点，采用钻孔或开槽的方法，观测衬砌厚度、衬砌背后回填情况并取得混凝土试件进行强度试验，从而对隧道结构得出评价。这种方法存在明显的弊端，主要表现在：（1）钻孔或开槽，花费时间较长，效率较低，并且对隧道结构本身产生危害；（2）不能发现隐蔽的缺陷，缺乏对隧道全面的了解。为此，铁道部等相关单位在借鉴国外技术的基础上，开展了一系列的科研项目，提出了适用于我国隧道工程的无损检测方法。目前，我国是无损检测技术日渐成熟，并广泛应用于隧道工程无损检测。其中，《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》（TB10233—2004）对铁路隧道无损检测的内容、方法都有明确规定。 目前隧道中常见的无损检测方法有回弹法、超声法、红外线法、地质雷达法，这些方法针对不同的测试对象有不同的测试内容。本文结合相关知识，简要介绍锚杆检测仪、回弹仪和地质雷达分别在锚杆质量检测、混凝土强度检测和混凝土厚度及缺陷检测中的应用。2、隧道结构简介隧道结构具有一定的隐蔽性，一般都修建在具有一定深度的地下，结构被岩土体包围。正是由于它的这一特性，使其结构特点、设计理念，以及施工方法与其他的工程结构有较大差异。图1为一典型的新奥法施工的隧道衬砌结构示意图：主要由四部分：（1）由砂浆锚杆组成的加固区；（2）由格栅拱架（或钢拱架）、钢筋网及喷射混凝土组成的初次衬砌；（3）由防水板材、排水管组成的防、排水系统；图1典型隧道衬砌结构示意图（4）钢筋混凝土组成的二次衬砌。该结构的施工顺序：开挖洞室→打系统锚杆→施作初期支护→施作防水层→施作二次衬砌。由于隧道工程的施工空间有限，工作面较少，所以施工质量难以保证；同时，隧道工作环境复杂，容易受地下水侵蚀，往往会加剧隧道的损害。隧道工程中常见的问题如下：（1）锚杆未能达到设计锚固效果；（2）衬砌背后有空洞；（3）钢拱架是否按设计要求布置；（4）衬砌强度不够、厚度不足。针对隧道中的上述问题，目前隧道常见的检测项目包括锚杆质量检测、混凝土强度检测、衬砌厚度及缺陷检测及钢拱架及钢筋网的密度检测。 3、隧道工程中常用的无损检测方法及基本原理3.1无损检测的定义无损检测是指以不损及其将来使用和使用可靠性的方式，对结构或构件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、化学成分、组织结构和力学性能变化的评定，并进而就结构或构件对特定应用的适用性进行评价的方法。无损检测方法按检测对结构、构件是否造成破损，分为：（1）非破损检测方法：如回弹法、超声法、超声—回弹综合法、磁测法、电测法、电磁波法、射线法等；（2）半破损检测方法：如钻芯法、拔出法、射钉法等。目前，隧道工程中的无损检测方法有较多，常见的有回弹法、超声法、地质雷达法等。3.2回弹法的基本原理回弹法是利用回弹仪检测混凝土构件强度的方法。基本原理：用一弹簧驱动的重锤，通过弹击杆弹击混凝土表面，并测出重锤被反弹回来的距离，以回弹值作为强度相关的指标，来推测混凝土强度，属于一种表面硬度法，特点：虽然检测精度不高，受操作方法、仪器性能、气候条件影响较大，但由于其设备简单、操作方便、测试迅速等优点，该方法在我国得到迅速发展。图2几种常用的回弹仪3.3地质雷达法3.3.1地质雷达的基本原理地质雷达是利用高频脉冲电磁波探测混凝土及下覆介质分布形态或介质几何形状变化，由计算机对产生的相位及回波能量、波形的变化进行分析成像，得到结构的相关特性。地质雷达的实质是就是电磁波的技术的运用，其发展是建立在电磁理论之上的，主要是基于电磁波的传播规律。 （1）电磁波在介质中的传播速度式中：c——真空中电磁波传播速度（光速），km/s——介质的相对介电常数可见，电磁波在介质中的传播速度只取决于介质的介电常数，并且电磁波在不同的介质中传播速度不同。（2）电磁波的反射电磁波在不同的介质表面上会有反射和折射，反射系数计算式如下：式中：R——反射系数；、——界面两侧的相对介电常数地质雷达利用电磁波的反射原理，收集反射信号，经过数据处理后可用来判断结构的缺陷。可见，界面两侧相对介电常数相差越大，反射系数越大，反射就越强烈。3.3.2地质雷达检测隧道衬砌的基本原理（1）地质雷达检测衬砌厚度如图3所示，反射天线T发射电磁波经反射被接收天线R接收，通过地质雷达反射图像的分析确定反射层，来测定反射波的双程走时t，从而确定衬砌厚度。图3地质雷达检测衬砌厚度原理图由几何关系得到衬砌厚度：式中：z——衬砌厚度；x——收、发天线之间的距离，为常数；v——电磁波在介质中的传播速度。 （2）地质雷达检测衬砌空洞图4隧道衬砌背后空洞或不密实带原理图图4为理想情况下地质雷达检测空洞或不密实带原理图。以检测中的5为例，当地质雷达检测到该点是，反射波会发生多层反射，并且，在3、7点时也会接受到空洞的反射波，所以导致上图中的曲线状。实际中的曲线并不明显，图5为实测的空洞反射波图：图5空洞检测雷达回波曲线图地质雷达方法由于的探测精度比传统的检测方法高，并且能连续扫描，获得隧道探测的连续结果，所以在隧道中的运用较广。3.4锚杆质量无损检测原理锚杆作为新奥法隧道施工中加固围岩的有效手段，在我国隧道建设中得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。但由于隧道锚杆的特殊结构，导致注浆效果难以保证。图6隧道锚杆布置示意图锚杆质量无损检测作为一种新的检测手段，越来越多的运用于隧道工程。 锚杆无损检测基于应力波理论及弹性波反射原理。主要通过实测锚杆外露顶端加速度或速度响应曲线，基于波动理论分析来判断锚杆的长度及灌注砂浆的饱满程度。其中，锚杆长度通过反射波时间可得，砂浆锚杆的饱满度通过反射波相对能量的比值来经验判断。常见的锚杆检测仪由发射震源、采集仪、检波器和分析处理软件组成，如图7所示。图7锚杆质量无损检测仪4、隧道无损检测实际应用4.1隧道锚杆无损检测方法图8锚杆质量无损检测仪首先将锚杆末端处理平整、干净，调试好测试设备，通过锤击锚杆末端，并通过探头接收锚杆末端反射信号；通过数据处理，波形显示，从而判断锚杆长度，灌注砂浆饱满程度。检测结果分析：图9锚杆测试检测波形规则，振幅较小、衰减较快且有规律。杆底反射处有微弱的底部反射，推断没有孔浆或不密实，底部与岩体结合紧密所以该锚杆质量优良。图9锚杆质量无损检测仪图10锚杆质量无损检测仪图10锚杆检测波形较规则，底部有较强的反射，推断为锚杆底部和岩体结合不好，空浆部位有较强的反射，波幅大且和入射波同相位，推断有较明显的空浆，该锚杆质量合格。 图11锚杆质量无损检测仪图11锚杆检测波形中，空浆、不密实部位波幅先是较前波幅大且相位和入射波相同，后又出现波幅突然衰减，推断为空浆，不密实。此类锚杆有多个缺陷，底部反射基本无法判断，进而也无法推测锚杆程度，所以该锚杆质量不合格。4.2回弹法测二次衬砌强度根据检测要求在隧道中选择检测断面，每个断面分别在拱顶、拱腰及边墙选择检测区，打磨掉表面附着物后，用回弹仪水平正对衬砌表面回弹一定次数，读数记录，并根据标准曲线得出回弹强度推测值。图12锚杆质量无损检测仪4.3地质雷达轴向检测：地质雷达对隧道衬砌结构检测，通常沿隧道轴向，并沿隧道轴向布置5条测线，拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙及右边墙。当只检测三条线时，拱部必须检测。图13测线布置横向检测：沿隧道每隔一定距离布置一条剖面线，检测该线。检测时，要将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴。对现场采集的数据，经过滤波、去噪、均衡等处理，即可得到反应隧道现状的相关数据和图纸。 图14现场检测衬砌厚度计算：在地质雷达图像的上部，一般振幅较强，同轴同相比较连续的第一组波形为衬砌界面反射信号。由此得到电磁波在衬砌中的传播时间，依据相关公式计算衬砌厚度。衬砌混凝土缺陷及位置判断衬砌混凝土与空气的相对介电常数差异较大，所以地质雷达图形中表现为振幅较强烈的界面反射信号（多次波），常见的缺陷波形显示如下：（1）密实：衬砌信号幅值较弱，波形均匀，甚至没有界面反射信号；（2）不密实：衬砌界面反射信号强，信号为强反射信号，同相轴不连续，错断，一般区域化分布；（3）空洞：衬砌界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大；（4）脱空：衬砌界面反射信号强，呈带状长条形或三角形分布，三振相明显，通常有多次反射信号。图15地质雷达衬砌检测图钢架位置及判别在地质雷达图像中，电磁波遇到钢筋时产生极强的反射，反射波的位置为钢筋距测试面的距离；通过滤波处理，确定各里程段钢筋拱架分布情况及保护层厚度。（1）钢筋网:有规律的连续的小月牙形强反射信号,月牙波幅较窄；（2）钢拱架：单个的月牙形强反射信号,月牙波幅较宽；（3）格栅拱架：连续的两个双曲线强反射信号。 图16地质雷达检测钢筋网图图中由于钢筋的界电常数为，图中可见连续的小双曲线反射，这是钢筋网的代表性反射图。图16地质雷达检测格栅拱架图图中两标距之间为10米，每10米的钢架为9榀达到了设计要求。5、小结本文结合隧道工程和土木工程无损检测技术相关内容，初步介绍了锚杆检测仪、回弹仪、地质雷达在隧道无损检测中的应用原理及方法。一方面，加深了对隧道工程的认识，另一方面，无损检测知识得到扩展。 参考文献：[1]吴江滨,张顶立,王梦恕.铁路运营隧道病害现状及检测评估[J].中国科学安全学报,2003,13(6):49-52.[2]周翔.山岭隧道质量无损检测及缺陷力学特性研究[D].西南交通大学硕士学位论文.2005年11月.[3]中华人名共和国行业标准.铁路隧道衬砌质量无损检测规程(TB10223—2004)[M].北京：中国铁道出版社，2004