基于地质雷达无损探测的隧道衬砌质量检测方法.pdf

154 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 基于地质雷达无损探测的隧道衬砌质量检测方法李昊东（广东交科检测有限公司，广州 白云 510550）摘要：在开展隧道衬砌质量检测过程中，由于检测规模较大，导致难以实现对其整体的高精度检测，因此，提出基于地质雷达无损探测的隧道衬砌质量检测方法研究。分别将 SIR3000 型地质雷达、钢卷尺以及 900MHz天线作为检测设备，沿拱顶及距拱顶水平距离为定值的两侧拱腰布设 3 条纵向检测线后，按照隧道衬砌施工设计情况，对衬砌厚度数据输出方式进行差异化设置，并根据反馈雷达信号检测隧道中不同位置衬砌的厚度，从而判断衬砌质量。根据测试结果可知，该方法对隧道不同位置衬砌厚度的检测结果误差稳定在0.2cm范围内，具有较高精度。关键词：地质雷达无损探测；隧道衬砌质量；SIR3000 型地质雷达；检测线；数据输出方式；衬砌厚度中图分类号：U457 文献标识码：A 文章编号：1673-8098（2023）03-0154-030 引言近年来，受经济快速发展的客观影响，相关科学技术在不断的变革创新中实现了新的突破，并且在不同领域中均得到了广泛应用1。以隧道的建设施工为例，其无论是在规模上，还是在建造技术上，都逐步进入了发展的最佳时期2。值得关注的是，由于公路隧道施工的起步相对较晚，并且主要是以铁路隧道的施工理论与经验为基础进行的，这就导致其在设计、施工以及检测等方面都存在一些不完善的问题，对应的公路隧道安全问题也逐渐凸显3。隧道衬砌是地下工程中常见的一种结构，主要通过安装在隧道壁面和顶部的钢筋混凝土壳体来支撑土体和地下水的压力，以保证隧道的稳定性和安全性。一般情况下，隧道施工过程中的安全事故主要是由于稳定性较低引起的，对应的安全事故类型可以分为五大类，分别为坍塌、物体打击、透水、大变形、冒顶片帮等4。在事故发生前，受围岩应力的影响，隧道衬砌都会表现出不同程度的变形。结合上述的分析可以看出，无论是从保证隧道运营安全的角度出发，还是从提高隧道衬砌施工质量的角度出发，对衬砌进行全面的质量检测都是极为必要的5。可以说，隧道衬砌的质量直接影响隧道的使用寿命和安全性能。随着隧道建设工程的不断发展和完善，隧道衬砌质量检测方法也将不断更新和改善，以满足各种复杂工况和技术需求。传统的隧道衬砌质量检测方法通常采用人工检测法，这种方法需要耗费大量人力和时间，且检测结果往往不稳定、不精确。如今，随着科技的不断进步，各种新型检测设备和技术逐渐应用于隧道衬砌质量检测中，以提高检测效率和精度，同时降低人力和时间成本，例如目前常见的隧道衬砌质量检测方法，包括超声波检测、激光扫描检测、红外线热成像检测等。这些检测方法通过对隧道衬砌进行无损检测，可以快速、准确地检测出衬砌的质量，发现缺陷和隐患，并及时采取相应的修复措施，保证隧道工程的安全和耐久性。这些新型的隧道衬砌质量检测方法，可以通过对衬砌进行非破坏性的检测，快速、准确地检测出衬砌的裂缝、脱落和空鼓等缺陷或质量问题。同时，由于这些检测方法无需破坏衬砌表面，能够减少排水和漏损等问题的发生，使得工程施工变得更加顺利和高效。在实际应用中发现，受环境因素的影响，上述传统方法在检测隧道不同位置衬砌厚度时，可能会存在误差。因此，基于上述分析，本文提出基于地质雷达无损探测的隧道衬砌质量检测方法研究，并以实际工程案例为基础，测试分析了该检测方法的可靠性。借助本文对隧道衬砌质量检测方法的设计与研究，希望能够为实际的隧道施工提供有价值的参考。155NO.3/JUNE.2023交通建设与管理 影响有影响的人 1 隧道衬砌质量检测方法设计1.1 检测设备选择此次在对隧道衬砌质量进行检测时，主要应用了地质雷达无损探测技术，因此，需要选择针对性的检测设备以满足检测需求。结合隧道环境的实际属性特征以及衬砌质量的检测要求，该研究选择将国外生产的 SIR3000 型地质雷达和国产钢卷尺作为检测仪器，其中，SIR-3000 型（设备编号：YQ11070）雷达系统为主要的检测设备。与其他类型的检测设备相比，SIR-3000 型雷达系统具有高精度、高分辨率的运行性能。不仅如此，其还具有较强的抗干扰能力，能够适应不同环境下的检测需求。SIR-3000 型雷达系统自身轻便快速，对测试场地要求也相对宽松，因此在实际应用阶段更加便捷。利用其实施对水电、公路、铁路等隧道衬砌质量的检测均可以稳定执行。对于现场衬砌 10m距离标识，此次采用钢卷尺（设备编号：YT077-01）进行测量。需要注意的是，隧道衬砌的厚度不同，意味着地质雷达探测的深度也需要进行适应性调整，以此满足数据解析阶段的客观要求。因此，在探测二衬时，此次选择了 900MHz 天线作为辅助。按照上述所示的方式，实现对检测设备的合理选择，为后续地质雷达无损探测技术对隧道衬砌质量检测结果的可靠性提供保障。1.2 基于地质雷达无损探测的衬砌质量检测在采集数据过程中，使用高空作业车检测平台将地质雷达天线及辅助人员送至相应位置，确保天线与衬砌表面保持紧贴状态，同时控制高空作业车以 3km/h 的速度匀速前进。结合隧道的形态特征，在沿隧道走向方向上，布设 3 条纵向检测线，分别沿拱顶及距拱顶水平距离约 3.5 处左右两侧拱腰布设，测线左右方向以顺桩号方向为准，顺桩号方向的左边为左拱腰测线，右边为右拱腰测线，以此确保数据采集的可靠性。图 1 为雷达检测测线的具体布置方式。图 1 雷达检测测线布置示意图在此基础上，为提高数据的完整性，避免因数据缺失影响后续的质量检测过程，利用拉格朗日插值法实现对衬砌表面采集数据中的缺失值插补处理。该方法具有显著的结构紧凑性的特点，且运算难度小。在设置原始衬砌表面数据的因变量与自变量后，检索其中缺失数据的邻近数据，使用公式（1）对缺失数据及其邻近数据实施插值填补处理：（1）式（1）中：Xm(y)表示缺失数据的插值结果，y 表示数据样本中的缺失数据段，m 表示缺失数据的数量，pj表示第 j 个缺失数据的插值节点，Xj(y)表示第 j 个缺失数据的插值结果。以上述设计为基础，本文实施隧道衬砌雷达无损检测时，以抽查的方式在沿隧道走向方向上进行。在拱脚位置，按照 5m 的间隔对隧道实际桩号里程进行标记，具体的方式为喷漆标记，通过这样的方式，为检测过程中与测试延米对应实际桩号的匹配提供便利。在对衬砌厚度进行检测时，本文采用探地雷达连续检测的方式，此时数据处理软件按照每 5m 距离输出 1 个平均厚度统计值。为了保障检测结果的精度，本文结合隧道衬砌的实际施工设计情况，对数据的输出方式进行差异化设置，具体如表 1 所示。表 1 雷达检测衬砌厚度数据输出方式隧道衬砌施工设计衬砌厚度数据输出方式l 0.3L整个隧道衬砌厚度数据l 0.3L分段输出衬砌厚度数据l=0.3L分段输出衬砌厚度数据表1中，l表示钢筋混凝土段衬砌长度，L表示整个衬砌长度。结合表 1 可以看出，对于隧道衬砌厚度数据输出方式的确定主要以钢筋混凝土段衬砌长度整个衬砌长度之间的关系为基准。其中，对于隧道衬砌厚度参数的计算方式可以表示为：（2）式（2）中：d 表示隧道衬砌的厚度参数；t 表示 SIR3000 型地质雷达信号的双程旅时参数；r表示隧道衬砌的相对介电常数。根据于隧道衬砌厚度的计算结果，可以分析当前的衬砌质量。综上所述，利用地质雷达无损探测技术实现了对隧道衬砌质量的检测。2 测试与分析2.1 工程概况156 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 在对本文设计检测方法的实际应用效果进行分析阶段，以某省龙公路隧道路段为基础，开展了对比测试。其中，隧道路段整体采用双向四车道高速公路标准。本文节选其中部分路段进行测试，节选路段中：钢筋混凝土段长度为 276.5m，素混凝土段长度 142m；对应拱顶部位的设计厚度为 50.0cm，左拱腰及右拱腰的设计厚度为 30.0cm，衬砌结构的相对介质常数为9.33。为了能够更加客观地分析设计检测方法的性能，分别采用文献 2 和文献 3 的设计检测方法在相同路段开展隧道衬砌质量检测，通过对比不同方法的检测效果，对本文设计方法的应用性能作出评价。2.2 测试结果在上述的基础之上，本文对比了应用不同方法检测隧道衬砌质量的结果。在衬砌断面处，随机选择 10 测试点位，利用 3种方法检测衬砌厚度，并进行人工校验，以此分析检测结果的可靠性。不同方法得到的衬砌厚度测试结果具体如表 2 所示。结合表 2 所示的测试结果可以看出，文献 2 方法对于隧道双侧拱腰部位的衬砌厚度检测结果具有较高的准确性，对应的误差稳定在 0.5cm 以内，但是对于拱顶部位衬砌厚度检测结果误差较大，最大值达到了 1.21cm。在文献 3 方法的测试结果中，对于衬砌厚度检测结果的误差表现出了较为明显的不稳定性，其中，最大误差达到了 1.45cm，最小误差仅为 0.04cm。相比之下，在本文设计方法的测试结果中，对于隧道不同部位的衬砌厚度检测结果并未出现较为明显的误差，偏差幅度始终稳定在 0.2cm以内，最大值仅为 0.16cm。结合上述测试结果及分析可以得出结论，本文设计的基于地质雷达无损探测的隧道衬砌质量检测方法能够实现对隧道衬砌施工厚度的精准检测。3 结语对隧道衬砌质量缺陷问题进行分析可以发现，其主要可以分析衬砌漏水、衬砌腐蚀、衬砌变形及位移三种情况，而对上述问题的成因进行深入研究，衬砌厚度未达到设计要求、衬砌背后出现空洞结构以及衬砌密实程度无法达到设计要求是根本诱因。以此为基础，本文提出基于地质雷达无损探测的隧道衬砌质量检测方法研究，利用地质雷达对于物体表面的扫描精度优势，实现对隧道衬砌质量的高精度检测。此外，与传统的人工检测相比，基于地质雷达的质量探测方法更加快捷高效，减少了人力成本和误差，同时，还有效避免了破坏隧道衬砌的情况。参考文献1 闫永峰.探地雷达在水利工程隧道衬砌脱空质量检测中的应用 J.广东水利水电，2023（2）：15-19.2 杨建喜，张盛行，汤雷，等.超声横波成像检测隧洞衬砌质量的响应分析与实践 J.水利与建筑工程学报，2022，20（6）：195-200.3 袁伟，徐涛.物探检测技术在西藏拉洛水利枢纽工程质量检测中的应用 J.水利水电快报，2022，43（11）：17-23.4 陈明金.高速铁路隧道二次衬砌机械化施工质量控制技术 J.建筑机械化，2022，43（11）：31-34.5 赵建彪，姜涛，孙捷城.高速铁路隧道衬砌质量缺陷及整治措施分析 J.建筑技术开发，2022，49（9）：131-133.表 2 不同检测方法得到的衬砌厚度测试结果统计表（单位：cm）校验点编号人工检测结果文献 2 方法文献 3 方法本文设计方法150.2650.6951.3350.25250.1750.7351.6250.20330.4430.8630.5630.39431.0230.4730.2831.10530.2530.7530.6930.36630.5630.2130.1730.59751.4450.2352.5651.28850.6550.1950.6950.56950.6250.0151.4750.471050.2750.9751.7050.15