楊 光， 陳天驕， 李 盼2， 王云洋

(1.湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 湖南 常德 415000； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

隧道二襯混凝土裂縫形成的原因非常復(fù)雜，與不良工程地質(zhì)條件、設(shè)計不當(dāng)和施工不規(guī)范等有關(guān)，是圍巖壓力分布不均、支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱或混凝土干燥收縮等單一或多種不利因素綜合作用的結(jié)果。二襯混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫后會降低結(jié)構(gòu)的承載力，嚴(yán)重時會引起隧道襯砌防水結(jié)構(gòu)撕裂或使二襯混凝土內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生銹蝕，對隧道的防水質(zhì)量和使用年限產(chǎn)生不利影響。因此，確定襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的狀態(tài)和背后是否存在病害缺陷，合理評價裂縫對結(jié)構(gòu)的影響，對有效治理裂縫缺陷或病害都是非常重要的。

超聲波檢測方法具有穿透能力強(qiáng)，檢測成本低廉等優(yōu)點，可以探測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度及內(nèi)部缺陷狀態(tài)，在混凝土大壩、橋梁墩柱、隧道襯砌等大體積混凝土質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。地質(zhì)雷達(dá)法是一種快速無損探測技術(shù)方法，可以對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部及隱蔽結(jié)構(gòu)背后的缺陷進(jìn)行有效地探測[4-6]。在隧道工程中，地質(zhì)雷達(dá)除了進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報外，在對隧道混凝土襯砌厚度、襯砌內(nèi)部及背后缺陷、鋼筋數(shù)量及分布等質(zhì)量檢測與評估中也得到了廣泛而有效的應(yīng)用[7-8]。綜合利用超聲波法和地質(zhì)雷達(dá)法的優(yōu)點，檢測隧道襯砌裂縫病害的現(xiàn)狀，可為后續(xù)治理裂縫病害工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 隧道襯砌裂縫缺陷檢測原理

1.1 超聲波法檢測裂縫深度

超聲波法檢測裂縫深度主要原理是利用超聲波穿越裂縫端點處的首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象或傳播時間差來確定裂縫的深度。超聲波儀還可根據(jù)超聲波的能量衰減特性、頻率變化程度、相位變化等特征獲得檢測區(qū)域內(nèi)的混凝土密度參數(shù)，從而判別混凝土內(nèi)部缺陷的性質(zhì)及大小。由于待測隧道襯砌裂縫部位只有一個可測表面，一般采用平測法測量裂縫的深度，平測法測量有不跨縫和跨縫2種測量方式[3,9]。超聲波法跨縫檢測裂縫示意圖見圖1。

圖1 超聲波法跨縫檢測裂縫示意圖

1.2 地質(zhì)雷達(dá)法檢測裂縫背后缺陷

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度較小，但是裂縫的側(cè)壁通常凹凸不平，裂縫間充滿其它介質(zhì)，裂縫底部上下介質(zhì)也存在物性差異，這是地質(zhì)雷達(dá)能夠探測裂縫的重要依據(jù)[10]。當(dāng)雷達(dá)電磁波依次跨越裂縫時，電磁波的波形就會在裂縫位置出現(xiàn)較大的相位變化和不連續(xù)反射波，若裂縫背后結(jié)構(gòu)存在病害缺陷，也會表現(xiàn)出來。對接近豎向裂縫發(fā)育區(qū)，雷達(dá)反射波振幅明顯減小或同相軸中斷，垂向裂縫會在雷達(dá)剖面上形成繞射弧線，且裂縫寬度越大，形成的繞射弧信號越強(qiáng)[11]。地質(zhì)雷達(dá)檢測裂縫示意圖如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)檢測裂縫示意圖

2 工程背景及現(xiàn)場檢測

某高速公路隧道二襯出現(xiàn)了數(shù)條斜向裂縫，裂縫寬度超過了結(jié)構(gòu)允許裂縫寬度。為了調(diào)查裂縫產(chǎn)生的原因，分析二襯裂縫的深度和裂縫對應(yīng)的襯砌背后是否存在空洞等缺陷，采用超聲法和地質(zhì)雷達(dá)法對二襯混凝土裂縫深度和背后可能存在的缺陷進(jìn)行了檢測。

2.1 超聲法檢測

用裂縫觀測儀測量裂縫的最大寬度，在寬度最大位置標(biāo)記好測量位置并進(jìn)行測量，再使用超聲波儀測量裂縫深度，測量的位置盡可能避開鋼筋，如圖3所示。

圖3 襯砌裂縫超聲波檢測現(xiàn)場照片及標(biāo)注示意圖

測量裂縫深度時要根據(jù)隧道二襯裂縫測量及其周邊混凝土外觀質(zhì)量情況，調(diào)試好超聲波儀，設(shè)置好檢測參數(shù)并保持不變，并在換能器和混凝土測試表面部位涂抹耦合劑,使其始終保持良好的耦合接觸狀態(tài)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測

由于不同頻率地質(zhì)雷達(dá)天線的測深能力不同，頻率越高，探測深度越小，而探測的成果圖像越清晰。選用頻率為500 MHz雷達(dá)屏蔽天線，檢測二襯厚度是否達(dá)到設(shè)計的二襯厚度，查找二襯背后是否存在空洞、不密實等缺陷。由于隧道襯砌裂縫寬度在0.2～3 mm之間，設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)天線使用時間觸發(fā)方式，同時在擬途經(jīng)的區(qū)域每隔10 cm標(biāo)記1次位置，為了使地質(zhì)雷達(dá)的某單道波形剛好能夠穿越裂縫之間所在的區(qū)域，需要多次探測，并在天線中線經(jīng)歷裂縫部位時做好標(biāo)記，以便確定裂縫和襯砌背后缺陷的實際分布情況。

結(jié)合工程實際情況，選擇在隧道襯砌的裂縫附近沿裂縫發(fā)展方向布置雷達(dá)探測測線，如圖4所示。

圖4 雷達(dá)探測裂縫測線布置位置圖

3 典型裂縫檢測分析

3.1 裂縫深度檢測分析

本文選取L5號(淺層)裂縫和L9號(深層)裂縫做對比分析。以L5號裂縫為例，AB線為非跨縫測線，BC、CD和DE線為跨縫測線。L5號裂縫的超聲檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

通過表1中非跨縫測線AB的數(shù)據(jù)繪制超聲波檢測時-距坐標(biāo)圖，對超聲波檢測數(shù)據(jù)聲時和測距2個變量進(jìn)行線性回歸分析，得到擬合的線性方程為：y=2.07x-25.4，可得超聲波在L5號裂縫段混凝土襯砌中傳播的速度是2.07 km/s，如圖5所示。

表1 L5號裂縫超聲檢測數(shù)據(jù)表測距/mm聲時t′/μsABBCCDDEl′1=50 46.2———l′2=10062.7 95.9 94.2 81.4l′3=15070.4———l′4=20086.9147.2128.8125.3l′5=250128.7———l′6=300146.3189.7172 167.1l′7=350172.7———

圖5 非跨縫測線AB時-距圖

將表1中跨縫測線BC、CD和DE線的聲時、距離數(shù)值代入計算公式(1)，可以得到對應(yīng)的裂縫深度值hci，然后剔除差異性大的數(shù)值，最后取滿足要求的裂縫深度平均值作為該裂縫的深度值mbc[9]。

(1)

同理，可得L9號裂縫的檢測參數(shù)值，如表2所示。

從表2中可以看出，襯砌上L5號裂縫的深度較淺，但各測線位置深度分布不均勻，裂縫的深度有隨著發(fā)展延伸的方向依次遞減的趨勢；L9號裂縫的深度較深，深度分布較一致，疑似為貫穿性裂縫。

表2 裂縫跨縫檢測參數(shù)mm裂縫編號測線編號裂縫寬度計算縫深hcil′2l′4l′6平均縫深mbcBC0.61101.7102.5109.9104.7L5號裂縫CD0.5274.771.272.272.7DE0.2156.364.258.759.7BC1.82413.5409.4412.7411.9 L9號裂縫CD1.55408.1406.9402.8405.9 DE1.47407.4404.6410.3407.4

由于裂縫部位選擇不同以及超聲波測厚法存在的局限性，會給裂縫深度檢測帶來誤差，并隨著結(jié)構(gòu)的深度增加，檢測誤差會加大。在實際的檢測中很難事先估計裂縫的深淺，因此對于厚度較厚的混凝土結(jié)構(gòu)判斷裂縫是否貫穿結(jié)構(gòu)時，需要結(jié)合鉆芯法或采用地質(zhì)雷達(dá)法等其他方法進(jìn)行綜合判斷。

3.2 裂縫背后缺陷檢測分析

通過軟件對雷達(dá)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、濾波后得到掃描探測區(qū)域的剖面圖和裂縫標(biāo)記位置的單道波形圖。L5號裂縫處的雷達(dá)圖像，如圖6所示；L9號裂縫處的雷達(dá)圖像，如圖7所示。

從圖6a可知，地質(zhì)雷達(dá)探測圖像成果可以清晰顯示L5號裂縫所在二襯結(jié)構(gòu)、背后型鋼支撐結(jié)構(gòu)分布及圍巖情況。地質(zhì)雷達(dá)圖像掃描檢測顯示：L5號裂縫所在部位的初襯結(jié)構(gòu)為型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu),二襯厚度約為500 mm，與設(shè)計的支護(hù)參數(shù)一致，該段襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖貼合較好。

圖6 L5號裂縫地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖7 L9號裂縫地質(zhì)雷達(dá)圖像

由于L5號裂縫寬度較小，雷達(dá)掃描位置的平均裂縫寬度約0.5 mm，雷達(dá)探測裂縫本身位置的缺陷情況較困難。當(dāng)雷達(dá)天線經(jīng)過該裂縫位置時，反射回的電磁波信號波動相對平穩(wěn)，當(dāng)掃描到裂縫右側(cè)時,由于探測到了襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋的管線，雷達(dá)反射信號增強(qiáng)，雷達(dá)波形圖像出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象，形成雙曲線繞射弧,且雙曲線形的離心率較大，如圖6a所示。

從圖7a可知，地質(zhì)雷達(dá)探測圖像可以清晰顯示L9號裂縫所在二襯結(jié)構(gòu)、背后鋼格柵支撐結(jié)構(gòu)分布及圍巖情況。地質(zhì)雷達(dá)圖像掃描檢測顯示:L9號裂縫所在部位的初襯結(jié)構(gòu)為鋼格柵支護(hù)結(jié)構(gòu),二襯厚度約為400 mm，與設(shè)計的支護(hù)參數(shù)一致。

L9號裂縫底部對應(yīng)的圖像也顯示，L9號裂縫本身及周邊一定范圍內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)存在異常，這種異常現(xiàn)象延伸至裂縫所在整個二襯結(jié)構(gòu)范圍，這也驗證了前一節(jié)所述超聲波法探測的L9號裂縫疑似貫穿性裂縫這一事實。再次，在L9號裂縫對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)支撐后背底部出現(xiàn)雷達(dá)電磁波波形雜亂、發(fā)散和相位錯亂的區(qū)域，可以推斷出該裂縫對應(yīng)的襯砌背后的圍巖在施工階段出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，初襯與圍巖間回填不密實，可以推測該裂縫出現(xiàn)原因可能與圍巖情況及初襯背后回填不密實有關(guān)。

由于L9號裂縫寬度較大，雷達(dá)測線附近平均寬度約1.55 mm，當(dāng)雷達(dá)天線經(jīng)過裂縫掃描時，電磁波信號在裂縫發(fā)育區(qū)出現(xiàn)明顯的振幅和相位變化，由于裂縫在雷達(dá)波豎向傳播方向上傳播，在裂縫發(fā)育區(qū)單道雷達(dá)波振幅減小，相對于鄰近雷達(dá)波形則同一深度的波形相位反向，在雷達(dá)位圖上則表現(xiàn)為在裂縫尖端位置形成繞射小雙曲線形信號，如圖7a所示。相比于L5號裂縫探測的雙曲線繞射弧的管道圖像，L9號裂縫圖像表現(xiàn)為裂縫頂端、底端的小雙曲線形波組，并且對應(yīng)于頂端的雙曲線形的離心率要小于底端的雙曲線形的離心率，裂縫開口呈現(xiàn)上窄下寬的分布形態(tài)，可以推測垂直方向裂縫會在雷達(dá)剖面上形成繞射弧反射信號，且裂縫寬度越大，形成的繞射弧信號越強(qiáng)，繞射弧形態(tài)的雙曲線離心率也就越大。

4 結(jié)論

1) 超聲波法和雷達(dá)法可以對比驗證結(jié)構(gòu)裂縫內(nèi)外的缺陷分布范圍和形態(tài)。

2) 用雷達(dá)法探測混凝土裂縫受裂縫寬度大小的限制，隨著裂縫的變寬雷達(dá)繞射弧信號越強(qiáng)，在雷達(dá)圖像上的雙曲線形的離心率也就越大。

3) 通過檢測混凝土內(nèi)部缺陷問題,可以推測混凝土裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)趨勢，為判斷混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因提供依據(jù)，為其它隧道裂縫病害檢測和分析提供參考。