余 敏 張 新 唐齊許

（1.中電投云南國(guó)際電力投資有限公司 昆明市 650228；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙市 410014）

水工隧道混凝土襯砌是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量對(duì)隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定、使用功能的正常發(fā)揮具有很大影響。其常見(jiàn)問(wèn)題有襯砌與圍巖結(jié)合部的脫空、襯砌厚度不足、局部裂縫、混凝土不密實(shí)、鋼筋保護(hù)層厚度不足等,因此進(jìn)行檢測(cè)非常必要。采用雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，分辨率高、圖像直觀、對(duì)場(chǎng)地條件要求較低,對(duì)襯砌不產(chǎn)生破壞,經(jīng)濟(jì)、無(wú)損、快速、直觀，成為水工隧道襯砌施工質(zhì)量檢測(cè)主要的技術(shù)手段。

1 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)是一種利用發(fā)射天線將高頻（10 MHz～1.5 GHz 或更高）電磁波以寬帶短脈沖形式傳輸?shù)降叵?，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，因介質(zhì)介電常數(shù)變化或幾何形狀變化而產(chǎn)生相位及回波能量、波形的變化，電磁波發(fā)生反射，然后由地面接收天線接收，由計(jì)算機(jī)將收到不同的波阻抗界面產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行成像處理和分析計(jì)算，從而推斷地下介質(zhì)分布、結(jié)構(gòu)形態(tài)的一種無(wú)損傷檢測(cè)方法。

探測(cè)時(shí)，探地雷達(dá)由發(fā)射天線T 向地下發(fā)射電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到電性差異界面時(shí)即發(fā)生反射。探地雷達(dá)接收天線R 記錄下反射回地面的電磁波，通過(guò)對(duì)攜有地下介質(zhì)地電信息的電磁波進(jìn)行分析，確定地下介質(zhì)的空間分布特征。探測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

2 目標(biāo)體的定位計(jì)算

當(dāng)探地雷達(dá)接收到目標(biāo)體的雷達(dá)反射電磁波時(shí)，目標(biāo)體深度可以通過(guò)式（1）確定。

式中 V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/ns）；

X——發(fā)射天線與接收天線間的距離；

L——目標(biāo)體在地面的投影點(diǎn)O 到接收天線R 的距離（m）

T——目標(biāo)體雷達(dá)波反射時(shí)間（ns），見(jiàn)圖2（a）。

當(dāng)探地雷達(dá)到達(dá)目標(biāo)體正上方時(shí)，電磁波反射走時(shí)最短，此時(shí)由式（2）確定目標(biāo)體深度。

式中 V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/ns）；

X——發(fā)射天線與接收天線間的距離；

T——目標(biāo)體雷達(dá)波反射時(shí)間（ns），見(jiàn)圖2（b）。

圖2 雷達(dá)反射探測(cè)定位計(jì)算原理圖

經(jīng)過(guò)偏移校正，收發(fā)距x 為0，電磁波相當(dāng)于垂直目標(biāo)體發(fā)射和接收，目標(biāo)體深度由式（3）確定。

式中 V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/ns）；

C——電磁波在空氣介質(zhì)中的傳播速度（0.3 m/ns）；

X——發(fā)射天線與接收天線間的距離；

T——目標(biāo)體雷達(dá)波反射時(shí)間（ns）；

Εr——相當(dāng)介電常數(shù)。

3 目標(biāo)體的波形特征

雷達(dá)電磁波反射信號(hào)的振幅與界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收能力有關(guān)，一般介質(zhì)的電性差異大，則反射系數(shù)大，因而反射波的能量也大。以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，反射系數(shù)由式（4）確定：

式中 εr1、εr2——不同介質(zhì)所對(duì)應(yīng)界面的相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)襯砌混凝土中存在空洞、不密實(shí)時(shí)，其相當(dāng)介電常數(shù)εr2小于正常襯砌混凝土的介電常數(shù)εr1，反射系數(shù)r 小于0。

以傳導(dǎo)電流為主的金屬體（鋼筋、鋼拱等）時(shí)，反射系數(shù)由式（5）確定：

式中 ω——電磁波角頻率；

εr——目標(biāo)體的相對(duì)介電常數(shù)；

σ——目標(biāo)的電導(dǎo)率。

鋼筋屬良導(dǎo)體，電導(dǎo)率非常大，反射系數(shù)r⊥大于0（接近為1）。對(duì)垂直入射的電磁波的能量消耗很少，幾乎都被導(dǎo)體表面反射回來(lái)。金屬目標(biāo)的反射波幅度一般都大于空洞或其他目標(biāo)體。

比較金屬目標(biāo)體與空洞的反射系數(shù)，說(shuō)明兩者的雷達(dá)反射波相位相反，見(jiàn)圖3。

圖3 金屬目標(biāo)體、空洞雷達(dá)反射波示意圖

4 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分析

介質(zhì)的不均勻性和對(duì)電磁波的吸收，使得目標(biāo)體反射波幅減小，波形發(fā)生變化，原始雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)需進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，必要的傅里葉變換分析，數(shù)字濾波，反褶積，偏移歸位等處理或變換，識(shí)別干擾波和目標(biāo)體雷達(dá)圖像特征，才能形成客觀合理的反演剖面成果。

5 工程實(shí)例

（1）工程簡(jiǎn)況。云南某水電工程采用引水式發(fā)電，引水隧洞主要置于弱風(fēng)化、微～新鮮風(fēng)化的澄江組（Zac）砂巖中，圍巖類(lèi)別以Ⅲ、Ⅳ類(lèi)為主，采用全斷面襯砌，其中Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段設(shè)計(jì)襯砌厚度40 cm，布置1 層鋼筋網(wǎng)，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖洞段設(shè)計(jì)襯砌厚度60 cm，布置2 層鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為25 mm，間距為20 cm，鋼筋保護(hù)層厚度大于7 cm；在地質(zhì)缺陷段還布有支撐鋼拱。襯砌混凝土強(qiáng)度為C30，內(nèi)徑8.0 m，底坡i＝0.3%。為查明隧洞頂部襯砌混凝土澆筑質(zhì)量和頂部空隙回填灌漿質(zhì)量，業(yè)主要求開(kāi)展快速無(wú)損檢測(cè)。

（2）檢測(cè)方法技術(shù)。根據(jù)業(yè)主要求和現(xiàn)場(chǎng)勘查，擬采用探地雷達(dá)開(kāi)展工作，在隧洞頂拱部位120°弧形截面沿洞軸線布置3 條測(cè)線，測(cè)線間距2.5 m，測(cè)線布置見(jiàn)圖4。

圖4 雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

根據(jù)混凝土襯砌厚度和檢測(cè)精度要求，儀器采用美國(guó)地球物理探測(cè)公司（GSSI 公司）生產(chǎn)的SIR-3000 型便攜式探地雷達(dá)，天線主頻為900 MHz，測(cè)試方式為連續(xù)測(cè)量；其他基本參數(shù)為采樣長(zhǎng)度512點(diǎn)/掃描線，數(shù)據(jù)位為16 位，記錄長(zhǎng)度為18 ns，掃描速度64 線/s,掃描線發(fā)射率為100 kHz，濾波為L(zhǎng)P（低 通）2.5 GHz、HP（高 通）225 MHz。天線移動(dòng)速度（0.2～0.4）m/s，數(shù)據(jù)處理軟件為GSSI 公司提供的RADAN6.5 版。

（3）檢測(cè)結(jié)果及處理。根據(jù)業(yè)主和設(shè)計(jì)要求，對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)：脫空異常長(zhǎng)度大于等于2 m 或脫空異常區(qū)面積大于1.0 m2的Ⅱ類(lèi)缺陷異常區(qū)需要鉆孔檢測(cè)脫空深度，空腔深度大于1.0 cm缺陷段必須作補(bǔ)充回填灌漿處理并補(bǔ)檢合格；脫空異常長(zhǎng)度小于2 m 或脫空面積小于的1.0 m2Ⅰ類(lèi)缺陷異常區(qū)可不做處理。

引水隧洞樁號(hào)引0+000.0 m～引5+412.0 m 段共檢測(cè)出脫空缺陷異常段525 處，其中Ⅰ類(lèi)脫空缺陷異常段469 處，脫空缺陷異常段長(zhǎng)度（0.3～1.9）m，Ⅱ類(lèi)脫空缺陷異常段56 處，脫空缺陷異常段長(zhǎng)度（2.0～31.3）m。承包商根據(jù)檢測(cè)成果對(duì)Ⅱ類(lèi)脫空缺陷異常段開(kāi)孔檢查,共計(jì)開(kāi)孔56 孔，其中脫空間隙深度大于1.0 cm 的檢查孔25 孔，脫空間隙深度（3.0～323.0）cm，其余31 孔脫空間隙深度小于1.0 cm；承包商對(duì)Ⅱ類(lèi)脫空缺陷異常段通過(guò)檢查孔進(jìn)行補(bǔ)充回填灌漿處理，補(bǔ)灌孔共64 孔，單孔注灰量（2.19～74 277.10）kg，總注灰量106 874.36 kg，部分Ⅱ類(lèi)脫空缺陷異常段檢查孔和補(bǔ)充回填灌漿資料見(jiàn)附表。

檢測(cè)方對(duì)補(bǔ)充回填灌漿洞段進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢總測(cè)線段長(zhǎng)2 260.0 m。復(fù)檢成果顯示，脫空間隙深度大于1.0 cm 的Ⅱ類(lèi)脫空缺陷異常洞段通過(guò)補(bǔ)充灌漿，脫空部位補(bǔ)充灌漿后空隙被有效充填，灌后脫空異常基本消除，效果顯著；較小間隙（＜1.0 cm）的脫空部位相對(duì)孤立、分散、不連續(xù)。局部Ⅱ類(lèi)脫空缺陷異常段補(bǔ)灌注灰量少，效果不明顯，開(kāi)孔揭露的脫空間隙深度很?。ɑ拘∮?.0cm），如樁號(hào)引0+032.2m～引0+033.4 m 段、引0+069.8 m～引0+071.0 m、引0+071.5 m～引0+072.0 m、引0+073.0 m～引0+074.0 m、引0+670.0 m～引0+671.4 m 段、引1+389.0 m～引1+392.0 m、引2+595.0 m～引2+597.0 m、引2+854.0 m～引2+856.5 m 段等，從異常特征分析，脫空部位被部分充填，但仍存在局部脫孔或有異物充填。

附表 引水隧洞襯砌混凝土Ⅱ類(lèi)脫空異常段開(kāi)孔驗(yàn)證和補(bǔ)灌資料統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)成果，補(bǔ)灌前引水隧洞拱頂測(cè)線樁號(hào)引2+496.0 m～引2+499.2 m 段、引2+546.8 m～引2+549.0 m 段脫空明顯，其中樁號(hào)引2+496.0 m～引2+499.2 m 段脫空緊貼鋼筋網(wǎng)，開(kāi)孔（樁號(hào)引2+498.0 m）揭示該處混凝土厚度只有33 cm，脫空間隙20 cm，補(bǔ)充灌漿注灰2 441.63 kg（相當(dāng)于約1.2 m3的空腔）；樁號(hào)引2+546.8 m～引2+549.0 m 段脫空從淺部（深度約0.2 m）往深部發(fā)展，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查和與施工方溝通，該部位為混凝土澆筑倉(cāng)位銜接部位（混凝土振搗和施工的薄弱點(diǎn)），開(kāi)孔（樁號(hào)引2+547.5 m）揭示該處脫空間隙11 cm，補(bǔ)充灌漿注灰1 021.25 kg。補(bǔ)灌后，對(duì)消缺部位再次進(jìn)行探地雷達(dá)掃查，結(jié)果顯示，樁號(hào)引2+496.0 m～引2+499.2 m 段雷達(dá)色譜圖由深黑變?yōu)槟：臏\白，說(shuō)明空腔被水泥漿有效充填后，其介電常數(shù)與周?chē)炷恋慕殡姵?shù)差異縮小，電磁波反射回波不明顯；樁號(hào)引2+546.8 m～引2+549.0 m 段雷達(dá)色譜圖只顯示鋼筋網(wǎng)的反射回波信號(hào)，脫空形成的反射回波信號(hào)基本消失，灌漿效果顯著。

6 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在水工隧洞襯砌混凝土質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用效果良好，檢測(cè)快捷無(wú)損，效率高，色譜圖影像成果直觀，為工程質(zhì)量消除缺陷隱患處理提供了科學(xué)客觀的決策依據(jù)。

[1]胡少偉，陸俊，牛志國(guó).高速探地雷達(dá)在引水隧洞混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010，(2)：1-6.

[2]楊峰，彭蘇萍.探地雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究[M].北京：科學(xué)出版社，2010.