中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
1 引言
我國是世界上鐵路隧道運營里程最長的國家，相關調(diào)查研究表明相當數(shù)量的隧道存在病害問題，嚴重影響到我國鐵路的行車安全。國內(nèi)鐵路完成六次提速，列車運行對數(shù)大大增加，維修養(yǎng)護的 “天窗”時間相對較短，因此縮短病害隧道的檢測和整治時間，減小對鐵路隧道正常運營的干擾顯得尤為迫切。目前，國內(nèi)隧道一旦出現(xiàn)病害，鐵路工務人員通常結合隧道病害的表觀特征和隧道所在地區(qū)的地質(zhì)、氣候、水文等情況及施工總結資料等信息，根據(jù)經(jīng)驗判斷隧道病害產(chǎn)生的原因，結合隧道病害類型及病害程度制定出相應的整治措施?；蚴遣捎锰降乩走_等無損檢測方法配合鉆孔取芯方法進行隧道隱蔽病害的檢測，再依據(jù)人工經(jīng)驗對檢測結果進行判讀，人為主觀性較強。由于缺乏對隧道病害系統(tǒng)科學的檢測，導致對隧道病害產(chǎn)生的原因缺乏準確的判斷，致使采取不合理甚至錯誤的整治方案，可能產(chǎn)生不必要的浪費甚至威脅到施工人員的人身安全。因此積極探索科學、系統(tǒng)、快速有效的隧道病害檢測方法，為病害分類、分析病害原因、劃分病害等級等提供科學可靠的依據(jù)，從而制定出科學合理的病害整治措施是當務之急。
2 既有隧道病害分類及檢測技術
2.1 既有隧道病害類型
常見既有鐵路隧道病害主要有襯砌裂損、滲漏水、凍害及襯砌材料劣化等幾個方面。其中，隧道襯砌裂損表現(xiàn)形式為襯砌變形、襯砌移動、襯砌開裂三種；隧道滲漏水病害表現(xiàn)形式為隧道漏水和涌水（拱部滴水、隧底冒水、孔眼滲水），隧道襯砌背后積水，潛流沖刷及侵蝕性水對襯砌腐蝕等。隧道凍害表現(xiàn)形式主要有掛冰、冰錐、冰塞、冰楔、圍巖凍脹、襯砌材料凍融破壞及襯砌冷縮開裂。隧道襯砌材料劣化主要表現(xiàn)為隧道襯砌的腐蝕。也有專家把隧道典型病害分為表面病害和非表面病害兩大類，其中表面病害主要包含隧道襯砌裂損、襯砌滲漏水、襯砌拱墻掛冰等；非表面病害則主要指借助儀器才能進行檢測的病害，主要包括隧道襯砌背后空洞、襯砌厚度不夠、襯砌強度不足等[1][2][3]。
2.2 既有隧道病害檢測技術
針對既有鐵路隧道常見病害類型，檢測手段從最初的目測等僅限于隧道表面病害的檢測方法發(fā)展到后來的以鉆孔取芯、后裝拔出法等為代表可檢測部分隱蔽病害及隧道襯砌結構性能的微破損檢測方法，再發(fā)展到近年來能全面診斷隧道健康狀況的無損檢測方法。
（1）目測。對于既有隧道病害的檢測，最初的檢測手段多是根據(jù)目測進行判斷，受人為因素影響較大[4]。目測雖能較直觀的檢測隧道表面滲漏水、基底翻漿冒泥、拱頂掛冰、襯砌出現(xiàn)裂縫、錯臺或者剝落掉塊等，方法較為靈活，但這只能觀測到隧道表面病害，對于襯砌內(nèi)部情況、襯砌與圍巖接觸面及圍巖內(nèi)部情況等隧道隱蔽病害則無能為力，導致隧道病害整治治標不治本，無法徹底根治。
（2）微破損檢測。國內(nèi)應用最多的微破損檢測方法有鉆孔取芯法及拔出法，主要用來檢測混凝土襯砌的強度。由于檢測時所造成的局部損傷對混凝土結構的整體沒有太大影響，不會危害結構的安全，所以廣義的理解，也將其計入非破損檢測范疇[5]。鉆孔取芯法檢測結果直觀、準確、代表性強。但是其缺點也是明顯的，首先鉆孔取樣耗時多、效率低，其次鉆孔檢測時容易對隧道防水層造成破壞且影響隧道美觀。同時鉆孔取芯檢測不宜大面積使用，只能選擇性的進行，對工人在鉆孔位置選擇經(jīng)驗方面要求很高，選擇不合理容易造成檢測結果失準，難以對整條隧道質(zhì)量進行綜合評判與推定。因此鉆孔取芯法不宜單獨使用，通常用來對回彈法和超聲回彈綜合法等檢測結果進行校正，以提高檢測的可靠性[6]。
拔出法檢測混凝土強度技術是一種通過拔出儀檢測實體混凝土中錨固件的拔出力來確定混凝土抗壓強度的一種方法。雖然拔出法操作簡單，但拔出法必須在澆筑混凝土之前將錨固件布置在預定位置，無法對沒有預埋錨固件的混凝土結構進行現(xiàn)場強度檢測。針對拔出法的這種缺陷，人們后來在拔出法的基礎上發(fā)展了后裝撥出法，即在混凝土結構硬化后對其表面鉆孔、切槽并埋入固定好錨固件，接著拔出錨固件，再根據(jù)拔出力推定混凝土強度的一種試驗方法。后裝拔出法可隨時隨地對沒有預埋錨固件的混凝土結構進行現(xiàn)場強度檢測，彌補了拔出法不能對沒有預埋錨固件的混凝土結構進行現(xiàn)場強度檢測的缺陷。拔出法在我國起步較晚，但其在引入國內(nèi)后發(fā)展較為迅速，自20世紀80年代以來，國內(nèi)很多研究單位在后裝拔出法的研究試驗方面進行了卓有成效的工作[7]。
（3）無損檢測技術。無損檢測技術近年來廣泛應用于隧道施工監(jiān)控量測和質(zhì)量控制以及既有隧道病害檢測方面。它是一種在不破壞混凝土內(nèi)部結構和使用性能的情況下利用聲、光、熱、電、磁和射線方法，測定有關混凝土性能方面的物理量，推定混凝土性能、缺陷等的測試技術。國內(nèi)外常見的無損檢測方法主要有探地雷達（地質(zhì)雷達）法、聲波/超聲波法、回彈法、激光掃描法、紅外熱像法、超聲回彈綜合法等，本文將對以上無損檢測方法予以重點分析。
3 現(xiàn)有無損檢測技術分析
3.1采用無損檢測技術的必要性
新建鐵路隧道驗收檢測指標日趨完善，傳統(tǒng)檢測已無法滿足檢測要求，同時為了更全面地掌握隧道病害信息徹底根治隧道病害，無損檢測技術在鐵路隧道工程中的應用將是一種趨勢。以下從既有鐵路隧道病害檢測以及新建隧道質(zhì)量控制兩個方面對采用無損檢測技術的必要性進行闡述。
（1）是縮短既有鐵路隧道病害檢測時間的重要手段。
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)完成了既有鐵路新一輪大提速以適應繁忙的運輸任務，“天窗”時間也將隨之相對縮短。適時研究現(xiàn)有隧道健康安全檢測方法及隧道病害的整治技術，以提高既有隧道檢測和整治效率，減小對既有線繁忙運輸?shù)挠绊懯呛苡斜匾?。傳統(tǒng)落后的沿用眼看尺量的隧道病害檢查和檢測手段，不僅檢測效果差，難于發(fā)現(xiàn)隧道隱蔽病害，而且隧道病害檢測耗時、費力，且對既有鐵路線的正常運營影響較大。
隨著運營年限的增加，部分早期修建的老舊隧道已無法適應當前鐵路運營要求，亟需進行改造擴建，為保障改造施工質(zhì)量和施工工期，節(jié)省改造費用，需要對老舊隧道進行全面科學的健康診斷，而傳統(tǒng)檢測方法無論是在檢測效果還是在檢測效率上都無法滿足要求，而無損檢測技術具有全面高效等特點，是縮短隧道病害檢測時間的上乘之選。
（2）是新建鐵路隧道質(zhì)量控制的有力保證。
隧道施工監(jiān)控不到位是影響鐵路隧道質(zhì)量控制的重要原因之一。以前新建鐵路隧道竣工交驗時，主要采用觀測、尺量、鉆孔抽查、查看資料等方法進行。這樣的檢驗方法主要是驗收外觀質(zhì)量，對其內(nèi)在質(zhì)量缺乏全面的了解，使新建隧道可能留下襯砌背后空洞或襯砌強度不足等隱蔽缺陷。在《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》（TB10223—2004、Z341—2004）和鐵運（2004）42 號《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》頒布后，無損檢測已作為檢查隧道襯砌隱蔽缺陷的一種有效而重要手段得到普遍采用，最大限度的從源頭防范隧道病害的發(fā)生[8]。因此，在新建鐵路隧道質(zhì)量控制和驗收中應廣泛使用無損檢測技術。
3.2 無損檢測技術的應用
無損檢測技術主要用于在建隧道的施工安全保障和質(zhì)量控制以及既有隧道健康綜合診斷兩個方面。
（1）在建隧道中無損檢測技術的應用
在隧道施工安全保障方面無損檢測技術的應用主要有地質(zhì)超前預報及隧道施工監(jiān)控量測等，其中地質(zhì)超前預報主要對掌子面前方巖溶洞穴、管道、暗河等不良地質(zhì)體的位置，斷層破碎帶位置、規(guī)模及富水狀況，煤層、瓦斯、天然氣儲存狀態(tài)等進行檢測，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預防隧道涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好防范準備工作；隧道施工監(jiān)控量測的主要內(nèi)容一般包括圍巖及支護狀態(tài)觀測，隧道洞口段、淺埋和偏壓段地表沉降監(jiān)測，拱頂下沉及凈空變位收斂量測，錨桿抗拔力量測，支護結構的應力狀態(tài)量測，隧道內(nèi)分段涌水量和水壓、涌水含砂量與含泥量觀察、地表水水位觀察等。通過施工現(xiàn)場的監(jiān)控量測，為判斷圍巖穩(wěn)定性，支護、襯砌可靠性，二次襯砌合理施作時間，以及修改施工方法、調(diào)整圍巖級別、變更支護設計參數(shù)提供依據(jù)，指導日常施工管理，及時預報圍巖險情，確保施工安全。
在隧道施工質(zhì)量控制方面無損檢測技術的應用主要有：隧道襯砌強度、隧道襯砌內(nèi)部鋼拱架、鋼格柵分布形態(tài)、襯砌與圍巖結合面質(zhì)量、襯砌背后裂隙、空洞及回填密實程度、隧道限界等指標的檢測。
（2）在既有鐵路隧道健康診斷中的應用
既有鐵路隧道健康診斷中，無損檢測內(nèi)容主要有隧道拱腰及邊墻隱蔽病害的檢測，主要包括襯砌厚度、襯砌強度、襯砌背后空洞的分布等指標；隧底隱蔽病害的檢測，包括底板、仰拱的厚度及強度，底板裂損部位及程度，基床以下軟弱夾層病害等[7]。近年來發(fā)展起來的新的無損檢測方法，如激光掃描、紅外熱像儀等可用于隧道襯砌表面病害如裂縫分布情況、襯砌表面滲漏水、蜂窩麻面等指標檢測，檢測效率高且工人勞動強度低。
2.3 現(xiàn)有無損檢測方法對比分析
通過上述分析可知，無損檢測技術無論是在新建隧道的質(zhì)量控制、安全保障方面還是在既有鐵路隧道病害診斷和維護方面都有著廣泛的應用前景。下面將著重介紹幾類在既有鐵路隧道病害檢測方面常見的無損檢測方法，每種方法的優(yōu)缺點分析見表1。
（1）探地雷達法
探地雷達(簡稱GPR)采用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標進行掃描，通過發(fā)射天線向被探測物發(fā)射寬頻帶短脈沖的高頻率電磁波，當該波在介質(zhì)傳播過程中遇到不同介質(zhì)交界面時，部分電磁波會被反射回來被雷達接收天線接收，通過記錄反射波的雙程走時、反射波的幅度與波形等信息，研究被探測介質(zhì)的分布和屬性。由于探地雷達具備無損檢測，可連續(xù)對目標進行掃描，操作簡便靈活，探測精度高、速度快、抗干擾能力強等特點，在隧道工程中得到越來越廣泛的應用。其在隧道病害檢測中的應用主要有：檢測隧道襯砌中鋼筋布置，襯砌厚度，襯砌內(nèi)裂縫及背后空洞，襯砌空洞、回填疏松地段及襯砌裂隙積水等[9][10][11]。
（2）回彈法
回彈法由于其使用的設備簡單、操作方便、測試迅速以及檢測費用低廉，且不破壞混凝土的正常使用，在國內(nèi)隧道工程中的應用比較廣泛，主要用于混凝土強度的檢測。回彈法是借助回彈儀對混凝土表面進行彈擊，重錘受到彈力作用后回彈一定距離，通過標尺測出重錘被反彈回來的距離，以回彈值（反彈距離與彈簧初始長度之比）作為與強度相關的指標，來推定混凝土強度?；貜椃ㄔ趪鴥?nèi)的使用已經(jīng)有了幾十年的歷史了，然而也有學者如清華大學土木工程學院廉慧珍教授對回彈法檢測強度提出了質(zhì)疑，她認為不同材料的強度和硬度之間不能建立相關關系，混凝土碳化層和混凝土本身是不同的材料，混凝土碳化層的硬度和內(nèi)部混凝土的強度沒有關系，再基于碳化層的硬度引進“折減系數(shù)”來推算混凝土的強度，在概念上是錯誤的[12]。
（3）彈性波（聲波/超聲波/地震波）法
地震波、聲波、超聲波的力學本質(zhì)是相同的，只是頻率不同，都屬彈性波。彈性波檢測比探地雷達復雜得多，工程檢測中，一般情況下探測深度大于5 m 的選用地震波法，大于20 cm 的選用聲波法。小于20 cm 的選用超聲波法[13]。在隧道工程無損檢測應用中，超聲波通常與回彈法結合，以提高檢測精度。聲波法檢測則包括直達波法和反射波法兩種，應根據(jù)不同的檢測目的選用，其中直達波法用于檢測隧道襯砌表層混凝土質(zhì)量，判定淺部典型病害，而反射波法適用于檢測隧道襯砌混凝土厚度、內(nèi)部缺陷等[14]。
（4）激光掃描法
激光掃描是近年來首先在歐洲發(fā)展起來的新型無損檢測技術[4]，由于其掃描速度快、檢測精度高、檢測時能同步獲得三維圖像等優(yōu)點，無論在新建隧道竣工驗收，還是在既有隧道病害檢測中都具有廣泛的應用前景。如德國在紐倫堡——茵戈施塔特鐵路新線竣工驗收時采用了GRP5000激光掃描技術[15]。近年來激光掃描技術作為新型非接觸式高精度海量數(shù)據(jù)收集技術，在虛擬城市建模、林業(yè)測量、變形監(jiān)測以及逆向工程中都有應用[16]，目前國內(nèi)學者對應用激光掃描技術所獲取海量數(shù)據(jù)的處理方法進行了大量的研究，以便激光掃描技術能在更多的領域得到廣泛應用。
（5）紅外線法
紅外線法屬于非接觸性無損檢測技術，其使用的紅外熱像儀檢測不受時間、空間的限制，較為靈活[17]。紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。其檢測無接觸、速度快、結果直觀、可進行大面積檢測的優(yōu)點，使得紅外線無損檢測技術應用前景非常廣闊。國內(nèi)某正在研發(fā)的公路隧道病害集成檢測車針對隧道滲漏水的檢測就使用了紅外熱像儀，試驗時其所檢測的隧道襯砌表面滲漏水紅外圖像經(jīng)過多指標修正后，與實際所測結果相近。
（6）綜合檢測法
綜合無損檢測法是指采用兩種或兩種以上的單一方法，獲取多個物理參量，從不同角度綜合評定混凝土質(zhì)量。因此，同單一非破損檢測方法相比，綜合檢測法具有更高的準確性和可靠性。目前已被采用的綜合法有超聲回彈綜合法、超聲鉆芯綜合法、聲速衰減綜合法等。而在實際工程中應用較為廣泛的是超聲回彈綜合法。超聲回彈綜合法是超聲波法與回彈法檢測的綜合，利用低頻超聲波儀和回彈儀對同一測區(qū)的混凝土結構或構件進行聲速值和回彈值的測試，利用已建立起來的測強曲線，推算該測區(qū)混凝土抗壓強度的一種方法[6][18][19] 。
表1 既有鐵路隧道病害常見無損檢測方法優(yōu)缺點分析
Table 1 Analysis on the advantages and disadvantages of the common non-destructive testing methods for the disease of existing railway tunnel
檢測方法 隧道工程 中的用途 不足 優(yōu)點
地質(zhì) 雷達法 檢測襯砌中鋼筋布置、襯砌厚度、襯砌內(nèi)裂縫及背后空洞等。 初襯和二襯表面位置難以確定，電磁波在非均勻介質(zhì)中的傳播速度不易確認，襯砌空洞位置定位不精準，測量結果判讀對人員經(jīng)驗的依賴性較強。 無損傷，檢測連續(xù)，操作簡便靈活，探測精度高、速度快、抗干擾能力強等。
回彈法 一般適用于新建隧道襯砌強度檢測。 容易受操作方法、儀器性能、混凝土材料（如水泥種類、用量，外加劑和摻合料的種類、配比等）、施工質(zhì)量、氣候環(huán)境、測區(qū)選擇等的影響。 設備簡單、操作方便、測試迅速、檢測費用低廉且不破壞混凝土結構。
超聲 /聲波法 襯砌強度和完整性檢測。 聲波法檢測速度慢，不適用于大面積的隧道病害檢測；超聲法則對高強度混凝土的反映不夠敏感，很難全面反映混凝土整體質(zhì)量。 檢測結果能較好地反映被測混凝土結構的局部質(zhì)量且檢測方法有較好的靈活性[7]。
激光 掃描法 襯砌的裂縫、變形、侵限、不平整施工縫等的分布情況。 作為一門新興技術，設備較貴且缺少相應的規(guī)范、規(guī)程。 檢測時間短，角度廣（360°），定位精準，測量的圖像數(shù)據(jù)可作為評定隧道健康狀況及運營維護管理信息平臺。
紅外線 檢測法 主要用于襯砌滲漏水的檢測。 能較好檢測被測物的表面熱狀態(tài)，但很難確定被測物內(nèi)部的熱狀態(tài)；檢測設備更新速度快，購買維護成本較高。 無接觸、高靈敏度、高效率，可進行大面積檢測。
超聲回 彈綜合法 隧道襯砌強度檢測。 襯砌混凝土碳化深度較大時誤差較大，需配合鉆孔芯法進行評價或修正。 可彌補單一檢測法在較低或較高強度區(qū)間檢測的不足，能較全面反映混凝土襯砌整體質(zhì)量情況。
3 既有隧道病害綜合檢測技術展望
論文主要對現(xiàn)有隧道病害檢測方法現(xiàn)狀及趨勢進行了闡述，總結出現(xiàn)有常見隧道病害無損檢測方法優(yōu)缺點，并針對存在的問題對既有鐵路隧道病害綜合檢測技術從以下四個方面進行展望。
（1）繼續(xù)對現(xiàn)有無損檢測技術理論基礎及影響因素進行深化研究。如探地雷達的電磁波在混凝土介質(zhì)中的傳播特性及傳播影響因素有待全面深入研究?，F(xiàn)有混凝土外加劑和配比與多年前相比已經(jīng)有了很大變化，使用回彈法檢測混凝土強度技術已經(jīng)有了幾十年的歷史了，為減小檢測誤差，還需進行進一步試驗研究。
（2）無損檢測方法種類多，涉及學科領域寬廣，而隨著科技的發(fā)展，無損檢測技術在加強更新?lián)Q代的同時，還應積極開拓新的無損檢測方法，使得無損檢測技術在數(shù)據(jù)處理上更高效、便捷，檢測結果直觀、智能，減小檢測結果判讀依靠人工經(jīng)驗帶來的誤差等。
（3）目前國內(nèi)尚缺乏既有鐵路隧道專用病害綜合檢測車，有必要開展鐵路隧道多功能無損檢測車的研發(fā)。國內(nèi)研制的隧道病害檢測車大多用于公路隧道上，而且沒有得到廣泛應用。例如國內(nèi)大多數(shù)在建隧道在使用探地雷達進行襯砌質(zhì)量檢測時，通常借助裝載機或者汽車臨時搭載雷達天線進行檢測，由于無法使得雷達天線密貼襯砌表面且很難保證雷達天線沿測線勻速直線運動，從而嚴重地影響了檢測效果，圖1所示為國內(nèi)某公路隧道現(xiàn)場檢測實施圖[20]，圖中可見其借助搭建在裝載機上的腳手架進行檢測，不僅檢測效果差、效率低、勞動強度大，而且工人檢測作業(yè)安全性很難保障。為了降低檢測車的使用成本，所研制的檢測車要便于拆卸和安裝，通用性強，可用于公路、鐵路在建隧道以及既有隧道的病害檢測。檢測車還應具有檢測多種病害的功能，同時具有病害檢測自動識別程度、檢測精度及檢測效率高，數(shù)據(jù)后處理速度快等特點。
