劉耀龍

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

隧道結(jié)構(gòu)耐久性是隧道施工技術(shù)情況的直接反映，但隧道工程工序相當(dāng)繁雜，很多不確定因素都會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性造成影響，要使隧道工程質(zhì)量得到保障，在工程施工結(jié)束后還應(yīng)通過(guò)相應(yīng)技術(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、外觀與裂縫狀況給予檢測(cè)[1]，若被測(cè)項(xiàng)目符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)才預(yù)示著隧道工程施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，若其中一個(gè)測(cè)量項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)不相符，則應(yīng)重新施工或制定補(bǔ)救措施來(lái)給予處理[2]。傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)方法即對(duì)隧道斷面給予抽樣，通過(guò)測(cè)點(diǎn)選擇，以鉆孔或開(kāi)槽法了解襯砌回填狀況、襯砌厚度等，獲得混凝土試件開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)，以綜合評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)。該方法的弊端較明顯，具體表現(xiàn)為：①鉆孔或開(kāi)槽環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，工作效率不高[3]，并且會(huì)危害隧道結(jié)構(gòu)本身；②對(duì)于一些隱蔽的缺陷無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此就不能全方位掌控隧道情況。鐵道部等相關(guān)機(jī)構(gòu)在國(guó)外技術(shù)的參考下展開(kāi)了大量科研試驗(yàn)，探究出了滿(mǎn)足我國(guó)隧道工程施工質(zhì)量檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)法。

現(xiàn)在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)隧道工程施工中的應(yīng)用已非常成熟，同時(shí)在TB 10233—2004《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程》中也進(jìn)一步明確了鐵路隧道無(wú)損檢測(cè)方法與內(nèi)容，為該技術(shù)的應(yīng)用指出了方向。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該技術(shù)，下面對(duì)其在隧道工程測(cè)量施工中的應(yīng)用展開(kāi)論述。

1 隧道與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1.1 隧道結(jié)構(gòu)

隧道結(jié)構(gòu)的隱蔽性相當(dāng)強(qiáng)，通常修建在具備一定深度的地下，結(jié)構(gòu)得到巖土體的充分包圍，導(dǎo)致設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)特征、施工方法和其他工程結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別。

1.2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是非破壞性檢測(cè)，即確保待測(cè)物質(zhì)原來(lái)狀態(tài)、性質(zhì)等不受破壞的情況下，為得到和待測(cè)物品質(zhì)相關(guān)的性質(zhì)、內(nèi)容或成分等化學(xué)、物理情報(bào)而使用的檢測(cè)方法。近兩年，因人們對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的日漸深入，該技術(shù)在武器制造、鍋爐與壓力容器、機(jī)械工業(yè)、海關(guān)檢查、造船、航空航天、隧道工程與高速火車(chē)等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在隧道工程中的應(yīng)用更是備受關(guān)注。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的功能：①及時(shí)找出構(gòu)件表層或內(nèi)部不足，且對(duì)不足展開(kāi)定量或定性分析；②測(cè)量機(jī)械強(qiáng)度、材料物理性能、組織結(jié)構(gòu)等；③測(cè)定構(gòu)件幾何尺寸、表層腐蝕情況、涂層或鍍層厚度等；④測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)情況，為檢測(cè)者提供存在問(wèn)題之處的變化信息，達(dá)到對(duì)這些不足的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)依照檢測(cè)是否會(huì)為構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等帶來(lái)破壞，被細(xì)分為非破損檢測(cè)法與半破損檢測(cè)法，前者涵蓋了超聲法、回彈法、磁測(cè)法、超聲—回彈綜合法、電測(cè)法等，后者涵蓋拔出法、鉆芯法等多種。在隧道工程測(cè)量施工中得到大力應(yīng)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有地質(zhì)雷達(dá)法、超聲法、回彈法等。

2.1 回彈法

回彈法即經(jīng)回彈儀對(duì)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)的方法（圖1），其原理為：借助彈簧驅(qū)動(dòng)的重錘，經(jīng)彈擊桿對(duì)混凝土表層進(jìn)行彈擊，測(cè)量重錘受反彈后的距離，將回彈值視作強(qiáng)度相關(guān)指標(biāo)推測(cè)混凝土強(qiáng)度，為表面硬度法的一種[4]。該法的不足即檢測(cè)精度有所欠缺，會(huì)受到儀器性能、操作方法、氣候條件等的影響，不過(guò)因設(shè)備操作便利、可快速測(cè)出結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)道路交通施工中得到了大力推廣應(yīng)用。

圖1 回彈儀

經(jīng)超聲回彈綜合法對(duì)隧道襯砌強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，先通過(guò)回彈儀對(duì)混凝土表層硬度給予測(cè)量，也就是回彈值R，再經(jīng)超聲儀對(duì)超聲波在混凝土構(gòu)件里的傳播時(shí)間t 給予測(cè)量[5]，計(jì)算出超聲波在混凝土里的聲速值v，依照回彈值R 與聲速值v，借助地區(qū)專(zhuān)用曲線測(cè)量或全國(guó)統(tǒng)一曲線測(cè)量公式進(jìn)行混凝土強(qiáng)度值換算，并根據(jù)混凝土力學(xué)試驗(yàn)辦法規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度推測(cè)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)即依靠高頻脈沖電磁波對(duì)混凝土與下覆介質(zhì)形態(tài)或結(jié)合形狀改變情況進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)形成的回波能量、相位與波形改變等給予分析并成像，從而掌握結(jié)構(gòu)相關(guān)特性。該法的原理即電磁波技術(shù)應(yīng)用，主要在電磁理論基礎(chǔ)上演變而來(lái)。

2.2.1 電磁波在介質(zhì)里的傳播速度：

式中 c——真空里電磁波傳播速度，km/s

εr——介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

介質(zhì)介電常數(shù)會(huì)對(duì)介質(zhì)里傳播速度造成直接影響，同時(shí)處于不同介質(zhì)的電磁波傳播速度存在差異。

2.2.2 電磁波反射

電磁波處于不同介質(zhì)表層伴有反射與折射現(xiàn)象，反射系數(shù)計(jì)算公式即：

式中 R——反射系數(shù)

ε1、ε2——界面兩側(cè)相對(duì)介電常數(shù)

地質(zhì)雷達(dá)經(jīng)電磁波反射進(jìn)行反射信號(hào)收集，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行判定。得知界面兩側(cè)相對(duì)介電常數(shù)與反射系數(shù)呈正相關(guān)，前者越大，系數(shù)越大，則會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)烈的反射現(xiàn)象。

2.2.3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)中的原理分析

（1）地質(zhì)雷達(dá)對(duì)襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)。發(fā)射天線T 發(fā)射電磁波，由天線R 接收反射結(jié)果，并經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)反射圖像明確反射層，測(cè)量反射波雙程走時(shí)t，獲得襯砌厚度（圖2）。計(jì)算公式為：

圖2 地質(zhì)雷達(dá)收、發(fā)原理

式中 z——襯砌厚度，m

t——反射波雙程走時(shí)，s

v——介質(zhì)里電磁波的傳播速度，m/s

x——收、發(fā)天線間距離，m

（2）地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。軸向檢測(cè)：主要是順?biāo)淼垒S向進(jìn)行5 條測(cè)線（包括右拱腰、拱頂、左邊墻、左拱腰、右邊墻）布置。若只進(jìn)行3 條線檢測(cè)時(shí)，務(wù)必要加強(qiáng)拱部的檢測(cè)[6]。橫向檢測(cè)：順?biāo)淼篱g隔相應(yīng)距離進(jìn)行一條剖面線布置，對(duì)該線進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)期間應(yīng)確保發(fā)射與接收天線以及隧道襯砌表層緊貼?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)降噪、濾波、均衡等一系列處理后，能夠得到可將隧道情況直觀呈現(xiàn)的圖紙或數(shù)據(jù)信息。地質(zhì)雷達(dá)法因探測(cè)精度相當(dāng)高，同時(shí)可持續(xù)掃描得到隧道探測(cè)準(zhǔn)確結(jié)果，故而在隧道施工測(cè)量中同樣得到了大力應(yīng)用。

2.3 錨桿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

錨桿屬于無(wú)損檢測(cè)法中的新型檢測(cè)方法之一，在隧道工程施工檢測(cè)中的應(yīng)用也非常受關(guān)注。錨桿無(wú)損檢測(cè)主要由應(yīng)力波理論與彈性波反射而得，即對(duì)錨桿外露頂端加速度或速度響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)波動(dòng)理論來(lái)對(duì)錨桿長(zhǎng)度與關(guān)注砂漿飽滿(mǎn)性進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)砂漿錨桿飽滿(mǎn)度對(duì)反射波相對(duì)能量比值給予判定。錨桿檢測(cè)儀包括分析處理軟件、發(fā)射震源、檢波器與采集儀等（圖3）。

圖3 錨桿檢測(cè)儀

2.4 紅外線高溫照相技術(shù)

紅外線高溫照相技術(shù)在隧道工程測(cè)量施工中的應(yīng)用主要是進(jìn)行隧道墻體輻射熱的測(cè)量，經(jīng)紅外線記錄系統(tǒng)顯示出墻體表層溫度，表層溫度實(shí)質(zhì)即流動(dòng)于墻體表層的熱量[7]，故而墻體表層溫度異?？芍苯映尸F(xiàn)出結(jié)構(gòu)異常。

在隧道工程測(cè)量施工檢測(cè)中，紅外線掃描器或照相機(jī)在移動(dòng)車(chē)廂安裝后，對(duì)襯砌與圍巖間水處于差異化溫度下流動(dòng)、襯砌后地質(zhì)條件改變、空洞、襯砌缺陷進(jìn)行測(cè)量，實(shí)用性強(qiáng)。因該法的使用需在顯著溫度梯度下完成[8]，故而冬季溫差大的情況下使用最佳。另外，該技術(shù)使用期間隧道表層應(yīng)清除所有覆蓋物或設(shè)施設(shè)備，不然會(huì)影響整個(gè)熱流滲透，故而在病害問(wèn)題的檢測(cè)過(guò)程中，流水量會(huì)因時(shí)間改變而發(fā)生變化，進(jìn)而影響最終測(cè)量結(jié)果。

2.5 GPS 橋梁三維位移檢測(cè)技術(shù)

GPS 橋梁三維位移監(jiān)測(cè)技術(shù)即經(jīng)導(dǎo)航衛(wèi)星附帶的實(shí)時(shí)站點(diǎn)三維坐標(biāo)來(lái)完成路橋工程的檢測(cè)，主要是在橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)安置，再在管理中心進(jìn)行GPS 基準(zhǔn)站建設(shè)，和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)彼此結(jié)合保證檢測(cè)工作順利進(jìn)行。該技術(shù)的檢測(cè)過(guò)程主要根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)各監(jiān)測(cè)站具體狀況，經(jīng)GPS 基準(zhǔn)站發(fā)送計(jì)算出的差分?jǐn)?shù)據(jù)，各監(jiān)測(cè)站結(jié)合差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，依靠計(jì)算機(jī)完成后階段計(jì)算與分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

隧道工程作為道路交通的組成部分之一，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在隧道工程施工測(cè)量中的應(yīng)用有利于工程質(zhì)量的提升，增強(qiáng)工程建設(shè)效率，在促進(jìn)道路交通事業(yè)發(fā)展中有積極意義。堅(jiān)持對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入探索，使我國(guó)道路交通事業(yè)發(fā)展更上一層樓。