摘要：本文根據土木工程測試技術課程內容，結合隧道工程知識背景，初步
介紹無損檢測在隧道工程中的應用。主要包括錨桿質量檢測儀檢測錨桿質量，回彈儀檢測混凝土強度，地中雷達檢測二次襯砌厚度、格柵鋼架及鋼筋網的布置。
關鍵詞：隧道工程無損檢測二次襯砌地質雷達
1、概述
隨著我國經濟建設的快速發展，交通工程已經成為經濟發展的強力驅動與支撐，高等級公路、高速鐵路的建設得到極大推進。隧道工程由於具有優化道路線形、縮短公路里程、保護生態環境等特點，日益引起人們的重視，修建的數量越來越多，規模越來越大。表1為我國近年公路隧道統計表：
表1 2023年～2023年我國公路隧道數量統計表
由於隧道工程地質環境特殊、施工環境惡劣，並且施工工藝、管理水平等因素都會對隧道質量產生影響，所以必然會造成施工質量難以保證的問題；同時隧道運營受周圍環境影響較大，所以在隧道運營中也常會出現各種病害。
以我國鐵路隧道為例，到2023年底，我國鐵路運營隧道5200多座，其中60%以上存在著各種不同程度的病害。它們不但損害了隧道的整體結構，並且對鐵路運營安全構成了極大威脅。
所以，我國相關法規規定，隧道交付使用前要進行全面的結構檢測，同時，運營中的隧道每隔固定年份也要進行結構檢測。
我國隧道傳統的質量檢測方法是在隧道斷面上進行抽樣，選取測點，採用鑽孔或開槽的方法，觀測襯砌厚度、襯砌背後回填情況並取得混凝土試件進行強度試驗，從而對隧道結構得出評價。這種方法存在明顯的弊端，主要表現在：
（1）鑽孔或開槽，花費時間較長，效率較低，並且對隧道結構本身產生危害；
（2）不能發現隱蔽的缺陷，缺乏對隧道全面的了解。
為此，鐵道部等相關單位在借鑑國外技術的基礎上，開展了一系列的科研專案，提出了適用於我國隧道工程的無損檢測方法。目前，我國是無損檢測技術日漸成熟，並廣泛應用於隧道工程無損檢測。其中，《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》（tb10233—2004）對鐵路隧道無損檢測的內容、方法都有明確規定。
目前隧道中常見的無損檢測方法有回彈法、超聲法、紅外線法、地質雷達法，這些方法針對不同的測試物件有不同的測試內容。本文結合相關知識，簡要介紹錨桿檢測儀、回彈儀和地質雷達分別在錨桿質量檢測、混凝土強度檢測和混凝土厚度及缺陷檢測中的應用。
2、隧道結構簡介
隧道結構具有一定的隱蔽性，一般都修建在具有一定深度的地下，結構被岩土體包圍。正是由於它的這一特性，使其結構特點、設計理念，以及施工方法與其他的工程結構有較大差異。
圖1為一典型的新奧法施工的隧道襯砌結構示意圖：
主要由四部分：
（1）由砂漿錨桿組成的加固區；
（2）由格柵拱架（或鋼拱架）、鋼筋網及噴射混凝土組成的初次襯砌；
（3）由防水板材、排水管組成的防、排水系統；
（4）鋼筋混凝土組成的二次襯砌。
該結構的施工順序：開挖洞室→打系統錨桿→施作初期支護→施作防水層→施作二次襯砌。
由於隧道工程的施工空間有限，工作面較少，所以施工質量難以保證；同時，隧道工作環境複雜，容易受地下水侵蝕，往往會加劇隧道的損害。隧道工程中常見的問題如下：
（1）錨桿未能達到設計錨固效果；
（2）襯砌背後有空洞；
（3）鋼拱架是否按設計要求布置；
（4）襯砌強度不夠、厚度不足。
針對隧道中的上述問題，目前隧道常見的檢測專案包括錨桿質量檢測、混凝土強度檢測、襯砌厚度及缺陷檢測及鋼拱架及鋼筋網的密度檢測。
3、隧道工程中常用的無損檢測方法及基本原理
3.1 無損檢測的定義
無損檢測是指以不損及其將來使用和使用可靠性的方式，對結構或構件進行巨集觀缺陷檢測、幾何特性測量、化學成分、組織結構和力學效能變化的評定，並進而就結構或構件對特定應用的適用性進行評價的方法。
無損檢測方法按檢測對結構、構件是否造成破損，分為：
（1）非破損檢測方法：如回彈法、超聲法、超聲—回彈綜合法、磁測法、電測法、電磁波法、射線法等；
（2）半破損檢測方法：如鑽芯法、拔出法、射釘法等。
目前，隧道工程中的無損檢測方法有較多，常見的有回彈法、超聲法、地質雷達法等。
3.2 回彈法的基本原理
回彈法是利用回彈儀檢測混凝土構件強度的方法。
基本原理：用一彈簧驅動的重錘，通過彈擊杆彈擊混凝土表面，並測出重錘被**回來的距離，以回彈值作為強度相關的指標，來推測混凝土強度，屬於一種表面硬度法，
特點：雖然檢測精度不高，受操作方法、儀器效能、氣候條件影響較大，但由於其裝置簡單、操作方便、測試迅速等優點，該方法在我國得到迅速發展。
3.3 地質雷達法
3.3.1 地質雷達的基本原理
地質雷達是利用高頻脈衝電磁波探測混凝土及下覆介質分布形態或介質幾何形狀變化，由計算機對產生的相位及回波能量、波形的變化進行分析成像，得到結構的相關特性。
地質雷達的實質是就是電磁波的技術的運用，其發展是建立在電磁理論之上的，主要是基於電磁波的傳播規律。
（1）電磁波在介質中的傳播速度
式中：c——真空中電磁波傳播速度（光速），km/s
——介質的相對介電常數
可見，電磁波在介質中的傳播速度只取決於介質的介電常數，並且電磁波在不同的介質中傳播速度不同。
（2）電磁波的反射
電磁波在不同的介質表面上會有反射和折射，反射係數計算式如下：
式中：r——反射係數；、——介面兩側的相對介電常數
地質雷達利用電磁波的反射原理，收集反射訊號，經過資料處理後可用來判斷結構的缺陷。可見，介面兩側相對介電常數相差越大，反射係數越大，反射就越強烈。
3.3.2 地質雷達檢測隧道襯砌的基本原理
（1）地質雷達檢測襯砌厚度
如圖3所示，反射天線t發射電磁波經反射被接收天線r接收，通過地質雷達反射影象的分析確定反射層，來測定反射波的雙程走時t，從而確定襯砌厚度。
由幾何關係得到襯砌厚度：
式中：z——襯砌厚度；x——收、發天線之間的距離，為常數；
v——電磁波在介質中的傳播速度。
（2）地質雷達檢測襯砌空洞
圖4為理想情況下地質雷達檢測空洞或不密實帶原理圖。以檢測中的5為例，當地質雷達檢測到該點是，反射波會發生多層反射，並且，在3、7點時也會接受到空洞的反射波，所以導致上圖中的曲線狀。實際中的曲線並不明顯，圖5為實測的空洞反射波圖：
地質雷達方法由於的探測精度比傳統的檢測方法高，並且能連續掃瞄，獲得隧道探測的連續結果，所以在隧道中的運用較廣。
3.4 錨桿質量無損檢測原理
錨桿作為新奧法隧道施工中加固圍岩的有效手段，在我國隧道建設中得到了廣泛應用，取得了良好的經濟效益。但由於隧道錨桿的特殊結構，導致注漿效果難以保證。
錨桿質量無損檢測作為一種新的檢測手段，越來越多的運用於隧道工程。
錨桿無損檢測基於應力波理論及彈性波反射原理。主要通過實測錨桿外露頂端加速度或速度響應曲線，基於波動理論分析來判斷錨桿的長度及灌注砂漿的飽滿程度。
其中，錨桿長度通過反射波時間可得，砂漿錨桿的飽滿度通過反射波相對能量的比值來經驗判斷。
常見的錨桿檢測儀由發射震源、採集儀、檢波器和分析處理軟體組成，如圖7所示。
4、隧道無損檢測實際應用
4.1 隧道錨桿無損檢測方法
首先將錨桿末端處理平整、乾淨，除錯好測試裝置，通過鎚擊錨桿末端，並通過探頭接收錨桿末端反射訊號；通過資料處理，波形顯示，從而判斷錨桿長度，灌注砂漿飽滿程度。
檢測結果分析：
圖9錨桿測試檢測波形規則，振幅較小、衰減較快且有規律。桿底反射處有微弱的底部反射，推斷沒有孔漿或不密實，底部與岩體結合緊密所以該錨桿質量優良。
圖10錨桿檢測波形較規則，底部有較強的反射，推斷為錨桿底部和岩體結合不好，空漿部位有較強的反射，波幅大且和入射波同相位，推斷有較明顯的空漿，該錨桿質量合格。
圖11錨桿檢測波形中，空漿、不密實部位波幅先是較前波幅大且相位和入射波相同，後又出現波幅突然衰減，推斷為空漿，不密實。此類錨桿有多個缺陷，底部反射基本無法判斷，進而也無法推測錨桿程度，所以該錨桿質量不合格。
4.2 回彈法測二次襯砌強度
根據檢測要求在隧道中選擇檢測斷面，每個斷面分別在拱頂、拱腰及邊牆選擇檢測區，打磨掉表面附著物後，用回彈儀水平正對襯砌表面回彈一定次數，讀數記錄，並根據標準曲線得出回彈強度推測值。
4.3 地質雷達
軸向檢測：地質雷達對隧道襯砌結構檢測，通常沿隧道軸向，並沿隧道軸向布置5條測線，拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊牆及右邊牆。當只檢測三條線時，拱部必須檢測。
橫向檢測：沿隧道每隔一定距離布置一條剖面線，檢測該線。
檢測時，要將發射和接收天線與隧道
襯砌表面密貼。
對現場採集的資料，經
過濾波、去噪、均衡等處理，
即可得到反應隧道現狀的相
關資料和圖紙。
襯砌厚度計算：
在地質雷達影象的上部，一般振幅較強，同軸同相比較連續的第一組波形為襯砌介面反射訊號。由此得到電磁波在襯砌中的傳播時間，依據相關公式計算襯砌厚度。
襯砌混凝土缺陷及位置判斷
襯砌混凝土與空氣的相對介電常數差異較大，所以地質雷達圖形中表現為振幅較強烈的介面反射訊號（多次波），常見的缺陷波形顯示如下：
（1）密實：襯砌訊號幅值較弱，波形均勻，甚至沒有介面反射訊號；
（2）不密實：襯砌介面反射訊號強，訊號為強反射訊號，同相軸不連續，錯斷，一般區域化分布；
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