CN115903074A - 一种引水隧洞初期支护隐伏缺陷的综合无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引水隧洞初期支护隐伏缺陷的综合无损检测方法，包括以下步骤：利用双通道地质雷达分别对初期支护浅层和深层部位进行探测，获取电磁波数据；对电磁波数值进行模拟正演，并将模拟正演结果与实测的电磁波数据进行比对，初步判别各类隐伏缺陷在深度方向的位置；采用冲击回波声频法检测隐伏缺陷在浅层的介质密度变化，判定浅层隐伏缺陷的类别；采用地震映像法折射/反射法检测隐伏缺陷在深层的介质密度变化，判定深层隐伏缺陷的类别；采用工程钻孔取芯法验证。本发明实现了引水隧洞初期支护隐伏缺陷的类型和范围的快速、精准诊测，确保隧洞初期支护工程高质量建设与长效安全运行。且检测成本低，便于推广应用。

Description

一种引水隧洞初期支护隐伏缺陷的综合无损检测方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，特别涉及一种引水隧洞初期 支护隐伏缺陷的综合无损检测方法。

背景技术

(长距离)引水隧洞初期支护是指隧洞开挖后，用于控制围岩变形 及防止坍塌所及时(或适时)施做的支护结构，包括锚杆、喷射混凝土、 喷射混凝土与钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支 护、以上支护结构与钢架联合支护等形式。

隧洞初期支护因受到施工和使用中的各项因素影响会产生不同 类型、不同程度的隐伏缺陷，危及隧洞整体结构的安全，同时隧洞施 工进度紧，往往初期支护完成后需要立刻掌握其工程质量，需要检测 工作及时开展、检测结果实时提供。因此，亟需掌握各类隐伏缺陷产 生的原因以及预防措施，以正确指导施工单位开展相应地处理工程施 工作业，保证工程质量，确保隧洞衬砌及支护工程高质量建设与长效 安全运行。

隧洞初期支护隐伏缺陷的类型及形成原因，大致分为以下六类： (1)初期支护后方空洞：初期支护后方(背后)空洞问题是长距离 引水隧洞最为常见的病害，由此引起的初期支护回填不实、拱顶上鼓 及衬砌内缘压裂、掉块等现象屡见不鲜，进而影响衬砌及支护与围岩 的结合程度，严重时可导致整体结构失稳、坍塌。初期支护后方空洞 产生的原因主要有：(a)因混凝土的收缩特性使得喷射混凝土与岩 面不能密贴而产生空隙，形成空洞；(b)超挖严重，喷射混凝土厚 度过大，在重力作用下混凝土整体下沉，形成空洞；(c)爆破使围 岩破碎，开挖下台阶时，上部拱脚在爆破振动下和重力的作用下，产 生向下的位移甚至掉块，掉块后产生的空洞，肉眼可见的可以补喷混 凝土，但是由于下滑产生的空洞不易发现，再加上作业环境能见度低， 导致质量安全存在隐患；(2)混凝土脱空：喷射混凝土施工时遇到 钢架、锚杆或模板遮挡，可能存在架空现象，成型后形成脱空；(3) 隧洞固结灌浆不密实：IIIb、IV类围岩超挖后，隧洞全断面可能在 拱顶或拱脚处灌浆位置达不到，而形成局部固结不密实现象；(4) 内部的钢架、钢筋分布：初期支护在洞口或掌子面前端需要临时支护 的地方分布钢拱架或超前导杆，使得初期支护结构中有金属物质，给 传统雷达检测带来干扰；(5)支护、衬砌厚度：局部喷射混凝土施 工遍数不够导致初期支护厚度不足；(6)岩溶：IIIb、IV或V类围 岩后方可能存在岩溶、溶腔等，难以辨识。

目前隧洞初期支护隐伏缺陷的检测方法主要包括：地质雷达法、 冲击回波法、地震映像法、钻孔法等。

地质雷达法：地质雷达检测原理是根据电磁波在不同电性介质里 传播时其波形特征发生改变，进而推测介质分布情况。地质雷达利用 电磁波反射同相轴或幅值强弱判别缺陷，分辨率高、探测速度快、对 被测物体无损，广泛应用于混凝土质量检测中。尽管地质雷达在混凝 土缺陷探测中取得了一定的成功，但因为地质雷达发射或接收的电磁 波受初期支护结构中金属锚杆等金属干扰，图像解译时导致异常多解 性，支护及后方隐伏缺陷难以准确判定。由于初支结构中装有大量的 超前支护锚杆、超前小导管或钢拱架(金属制)，会对基于电磁波法 的地质雷达法检测与评价带来强烈的干扰，导致检测判别不准或误判情况。另外，传统单通道地质雷达法一次仅能检测一个深度范围内的 1条测线，且缺少其他方法联合解译。若直接钻孔验证，检测效率低， 对结构破损率高，一般施工中很难实现，导致施工与管理人员无法准 确掌握初期支护的质量，给隧洞结构稳定带来隐患。

冲击回波法：冲击回波法利用弹性波反射声波衰减判别缺陷，不 受金属干扰、对被测物体无损，广泛应用于结构分层或脱空检测中。 尽管冲击回波法在混凝土缺陷探测中取得了一定的成功，但因为隧洞 初期支护结构尺度大，冲击回波法一般为点测，检测效率低。同时锤 击激励能量小，对于支护后方较大空腔反射声波无法识别。

地震映像法：地震映像法利用弹性波折射或反射波的能量衰减判 别缺陷，不受金属干扰、对被测物体无损，广泛应用于地层结构大空 腔或不良地质体检测中。尽管地震映像法在混凝土缺陷探测中取得了 一定的成功，但因为隧洞初期支护喷射混凝土厚度一般在0.5米以 内，地震折射或反射波激励能量太大，难以辨识薄层混凝土内部缺陷。 同时引水隧洞一般洞径大，地震映像法高空作业难度大、检测效率低。

针对上述各物理检测方法存在功能单一、探测结果不全面(局限 或者误判)，不能满足全面掌握隧洞初期支护各类隐伏缺陷的不足， 本发明提出了基于不同物理方法的综合无损检测技术联合诊断引水 隧洞初期支护隐伏缺陷的方法，以实现对隐伏缺陷快速、准确地诊测。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种引水隧洞初期 支护隐伏缺陷的综合无损检测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种引水隧洞初期支护隐伏缺陷的综合无损检测方法，包括以下 步骤：

S1、采用地质雷达法，利用双通道地质雷达分别对初期支护浅层 和深层部位进行探测，获取初期支护不同深度的隐伏缺陷的地质雷达 电磁波数据；

S2、对初期支护典型隐伏缺陷的地质雷达电磁波数值进行模拟正 演，并将模拟正演结果与实测的地质雷达电磁波数据进行比对，通过 同相轴特征和色谱特征的相似度初步判别各类隐伏缺陷在深度方向 的位置；

S3、采用冲击回波声频法检测隐伏缺陷在浅层的介质密度变化， 通过声频回波缺陷反演色版判定浅层隐伏缺陷的类别；

S4、采用地震映像法折射/反射法检测隐伏缺陷在深层的介质密 度变化，通过波幅的分布、大小和正负来判定深层隐伏缺陷的类别；

S5、对地质雷达法、冲击回波声频法和地震映像法探测的隐伏缺 陷存在的异常区域采用工程钻孔取芯法加以验证，确定隧洞初期支护 异常区域的隐伏缺陷类型以及范围。

优选的，所述步骤S1中，利用双通道地质雷达一次使用高低频 两种天线，一次探测完成同一位置的2条测线，同时对初期支护浅层 和深层部位进行检测。

优选的，所述双通道地质雷达的测线分别布置在左右拱肩和拱 顶。

优选的，所述步骤S2中，还包括：对地质雷达典型隐伏缺陷图 谱进行反演处理，以提高地质雷达法检测的分辨率。

优选的，所述采用冲击回波法的音频测线布置在拱肩或拱顶位置 的异常区域，所述采用地震映像法的测线布置在拱肩或拱顶位置的异 常区域。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明的综合无损检测方法可快速、准确诊测初期支护后 方隐伏缺陷的综合无损检测方法，解决了单一检测方法(地质雷达法) 易受初支结构内部金属干扰，导致检测判别不准或误判的技术难题。

(2)本发明综合无损检测方法可快速、准确地诊测初期支护隐 伏缺陷，解决了单一检测方法(地震映像法、冲击回波法)检测局限 或误判、检测实时性差、检测效率低、及存在各种受限作业区的技术 难题。

(3)本发明首次将地质雷达法、地震映像法和冲击回波法等应 用于探测引水隧洞初期支护隐伏缺陷的深度(平面位置)边界和空间 分布范围的联合解译，即首先通过地质雷达法，同时结合电磁波典型 缺陷数值仿真正演识别、地质雷达典型图谱反演技术初步判别得出不 同深度的隐伏缺陷在介质密度上存在差异，然后采用冲击回波声频法 检测隐伏缺陷在浅层的介质密度变化，同时结合声频回波缺陷反演色 版判定浅层隐伏缺陷的类型；再采用地震映像法折射/反射法检测隐 伏缺陷在深层的介质密度变化，并通过波幅的分布、大小和正负来判 定深层隐伏缺陷的类型，最终综合电磁波的介电性质变化和弹性波的介质密度变化来联合解译判定隧洞初期支护隐伏缺陷的物理性质，从 而实现了引水隧洞初期支护隐伏缺陷的类型和范围的快速、精准诊 测。为长距离引水隧洞初期支护结构安全提供技术支撑，确保隧洞衬 砌及支护工程高质量建设与长效安全运行。且本发明检测方法探测成 本低，可推广应用。

附图说明

图1为剖面法的工作原理示意图及其雷达图像剖面图像；

图2为初期支护喷射混凝土内支护钢筋网时的雷达数值模拟成 果图；

图3为初期支护喷射混凝土与围岩存在空洞的雷达数值模拟成 果图；

图4为典型隧洞初期支护内钢筋网的雷达检测数据反演图像；

图5为隧洞初期支护与围岩分界面的雷达剖面图像；

图6为隧洞初期支护与围岩之间存在空洞的雷达剖面图像；

图7为冲击回波声频法检测的流程示意图；

图8为浅层脱空缺陷的云图(色版-Ⅴ-A)；

图9为初期支护浅层脱空缺陷部位实测示例图(色版-Ⅴ-A)；

图10为中层脱空缺陷的检测云图(色版-V-B)；

图11为初期支护内部中间脱空缺陷部位实测示例图(色版-V-B)；

图12为深层脱空缺陷的云图(色版-V-C)；

图13为初期支护后方深层脱空缺陷部位实测示例图(色版 -V-C)；

图14为地震映像法的折射波检测的流程示意图；

图15为地震映像法的反射波检测的流程示意图；

图16为初期支护后方岩溶缺陷的地震映像实测图；

图17为色谱值特征表示的示意图；

图18为同相轴特征表示的示意图；

图19为本发明实施例中采用200MHz的地质雷达天线探测的深层 隐伏缺陷的示意图；

图20为本发明实施例中采用900MHz的地质雷达天线探测的浅层 隐伏缺陷的示意图；

图21为本发明实施例中冲击回波声频法检测结果的示意图；

图22为本发明实施例中地震映像法检测结果的示意图；

图23为本发明实施例中钻孔量测和孔内摄像图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结 构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领 域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以 实现本发明。

地质雷达法是根据电磁波在不同电性介质里传播时其波形特征 发生改变，进而推测介质分布情况。介质的电性特征是指介质的介电 常数，电导率和衰减系数。采用地质雷达法检测判别的隧洞初期支护 常见的隐伏缺陷，主要包括：

(a)初期支护与围岩之间空洞判别：隧洞初期支护与围岩之间 存在空洞，脱空层的存在，脱空界面电磁波反射系数增加数倍以上， 来自脱空界面的反射波强度大大增加，振幅加强，反射波组错断，雷 达波在脱空部位与不脱空介质内的传播形成鲜明对比，从而识别脱空 区。

(b)混凝土脱空判别：脱空层的存在，使界面反射系数增加数 倍以上。因此，当脱空层存在时，来自混凝土界面的反射波强度大大 增加，电磁波在混凝土内脱空部位与在混凝土内的传播形成鲜明对 比，从而达到识别脱空存在的目的。

(c)隧洞固结灌浆不密实判别：隧洞固结灌浆不密实，必然会 导致介电常数的不同，电磁波在不密实区发生反射和散射，雷达剖面 图像中的不密实区引起的雷达反射波振幅一般较大，不密实区电磁反 射波同相轴不连续，紊乱或弯曲分布，相比均匀密实区其波长变化较 大，波幅变化明显，波组特征明显发生改变。固结灌浆区的浆液未凝 固，则雷达波在浆液中的传播速度慢，波形变粗，电磁波能量衰减快， 呈低频低速特征，与围岩中传播形成鲜明对比。

(d)钢筋网判别：雷达在检测过程中，电磁波传播到钢筋网界 面时，钢筋网对雷达波具有屏蔽性，雷达波在钢筋界面发生全发射， 波幅异常增强，在雷达剖面图像上显示振幅异常双曲线反射弧，反射 弧的顶点即为钢筋的位置和埋深，反射弧顶点的间距即为钢筋之间的 间距。工字钢钢拱架在雷达剖面图像上同样显示为强反射弧曲线，其 顶点位置即为钢拱架的位置和埋深。

(e)测定喷射混凝土厚度：初期支护检测前，首先对不同标段 的喷射混凝土进行雷达波速标定，通过标定法获得不同标段喷射混凝 土的电磁波速度。喷射混凝土初期支护的分界面明显，读取雷达波在 初期支护内部的传播时间，可计算获得衬砌厚度值。

(f)岩溶判别：岩溶发育段隧洞，若固结灌浆不满，则电磁波 在岩溶发育段岩体内传播时，雷达波的反射系数增加，雷达波组在岩 溶区产生较强的反射和散射，波形紊乱，振幅强，与在围岩内均匀传 播形成鲜明对比，从而识别初期支护后方岩体内的岩溶。

本发明对初期支护存在的上述隐伏缺陷进行综合无损检测的工 作原理如下：

(一)地质雷达检测技术

地质雷达技术是基于探测目标体与周围介质间存在的介电性差 异为基础，利用发射天线向被检测介质发射高频脉冲电磁波，电磁波 在地下介质中传播时，其振幅、相位和频率特征随介质的电性、几何 形状变化而变化，遇到电性界面时即发生反射。接受天线接收由被检 测介质内不同介电性界面反射回的电磁波和直达波，通过分析此携有 地下介质地电信息的电磁波，确定地下介质的空间分布特征。具体地 利用介质内电磁波传播路径，电磁场强度和波形随所通过介质的电磁 性质及几何形态而变化的原理，通过研究反射波相对直达波的往返旅 时、振幅、频率和相位特征，达到确定被检测介质内隐蔽体的一种探 测方法。

本发明采用剖面法的测量方式，如图1所示为剖面法的工作原理 示意图及其雷达图像剖面图像。根据电磁场理论，电磁波在传播过程 中遇到不同介电性介质，在其界面处将发生反射和折射现象，从而改 变电磁波的传播方向，通过沿剖面同步移动发射天线和接收天线，便 可获得由反射记录组成的雷达剖面(地质雷达时间剖面图像，图像的 横坐标记录了天线在地表的位置，纵坐标为反射波双程走时t，t表 示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时 间)，其同相轴分布与不同介电性目标体形态有直观的对应关系，这 种记录能准确反映不同深度的各反射界面的形态。

利用地质雷达所接收到的反射波的双程走时t，若已知电磁波在 介质的传播速度v和收发天线间的间距x，即可由下式(1)计算得出反 射界面的深度d：

式(1)中：波速

其中，c＝0.3m/ns(真空光速)，ε_r为介质的相对介电常数。

①隧洞衬砌典型隐伏缺陷的电磁波数值的模拟正演：

电磁波数值的模拟正演是分析隧洞检测问题、研究雷达电磁波在 介质中传播规律的有效方法，通过对电磁波在隧洞衬砌中的传播进行 数值模型，为隧洞衬砌雷达检测数据的反演和解释提供了良好的指 导。本发明在此例举了两种情形的雷达数值模拟正演结果：如图2所 示，为电磁波传播到初期支护喷射混凝土内支护钢筋网时的雷达数值 模拟成果图，模拟检测天线频率为900MHz。由于初期支护模型中存 在双层锚杆，电磁波传播到钢筋网时候产生了强烈的反射，显示为双 曲线形态，双曲线的顶点对应钢筋的实际位置，各顶点的距离即为钢 筋间距，双曲线的数量与衬砌内钢筋的数量一一对应，数值模拟的结果为雷达衬砌检测数据中钢筋的识别提供了理论指导和参考；如图3 所示，为初期支护喷射混凝土与围岩存在空洞的雷达数值模拟成果 图，图3中，左上角的红色(red)区域为衬砌模型，其中的圆圈模 拟衬砌中的钢筋，淡绿色(light green)模拟衬砌后方的围岩，三 角形的蓝色(blue)区域模拟衬砌与围岩之间的脱空，模拟检测天线 频率为900MHz；数值模拟的结果显示衬砌中的钢筋在雷达剖面图中 显示为双曲线形态，衬砌与围岩之间的分界面清晰，为均匀的近水平 雷达反射波同相轴，初期支护喷射混凝土与围岩之间的空洞区雷达波 出现明显的错断，振幅变强，与周边没有空洞的雷达反射波组存在明 显的区别，数值模拟的结果为雷达数据的反演解释提供理论指导。

②地质雷达典型图谱的反演技术：

为了提高雷达检测的分辨率，还采用了地质雷达典型图谱反演技 术，在地质雷达数据采集中，为了保留尽可能多的信息，通常用全通 的记录方式，这样有效波和干扰波就被同时记录下来，为了去除数据 中的干扰信号，需要采用数字滤波的方法，若有效信号的频谱分布与 干扰信号的频谱有一个比较明显的分界，那么可以根据具体干扰信号 的分布，设计一个合理的滤波器将其滤除，就得到滤波以后的结果。 根据干扰信号的频谱分布的不同，可以采取低通、高通或带通的方法， 对检测到的干扰波进行压制，在不损害有效波的前提下使干扰波得到 有效去除，提高雷达检测剖面的分辨率。

图4为典型隧洞初期支护内钢筋网的雷达检测数据反演图像，显 示钢筋网在雷达剖面图像的的显示特征为双曲线形态，与上述图2中 的数值模拟的结果相对应；图5为隧洞初期支护与围岩分界面的雷达 剖面图像，分层界面雷达反射波组明亮清晰，读取雷达波到达分层界 面的旅行时间，可计算出衬砌的厚度；图6为隧洞初期支护与围岩之 间存在空洞的雷达剖面图像，该空洞是典型的钳形脱空；雷达剖面图 像显示脱空处雷达波振幅强，雷达反射系数变大，与周围有明显区别， 与上述图3中的数值模拟结果相对应。

(二)冲击回波声频法

冲击回波声频(IAE)法是利用拾声器代替拾振传感器来拾取被 测体的振动信号，纵波传播到结构内部，被缺陷和构件底面反射回来， 这些反射波被安装在冲击点附近的传感器接收下来，并被送到一个内 置高速数据采集及信号处理的便携式仪器。将所记录的时域信号经傅 立叶变换后进行频谱分析，频谱图中的明显峰正是由于混凝土结构内 部空洞缺陷的反射所致。如图7所示为冲击回波声频法检测的流程示 意图。

从所记录的回波信号中判定出缺陷或结构底面的反射波的走时 t_R＝1/F_T，根据应力波在混凝土中的传播速度V_P，即可由下式(2)计 算得出混凝土的厚度或缺陷的深度T：

T＝α_s(V_Pt_R)/2   (2)

式(2)中，T为混凝土的厚度或缺陷的深度；α_s为与构件截面几 何形状有关的系数；V_P为应力波在混凝土中的传播速度；t_R为反射波 的走时。

将所记录的数据信号通过快速傅立叶变换(FFT)转换到频域中进 行分析，获得其振幅，进而得到应力波的共振频率，再利用下式(3) 计算确定结构混凝土的厚度和缺陷深度：

T＝α_sV_P/(2f)   (3)

式(3)中，f为应力波的共振频率。

①冲击回波声频法色版反演技术

采用冲击回波声频法(IAE)联合诊断初期支护后方空洞分为： (表)浅层脱空、中层脱空和深层脱空，典型浅层脱空、中层脱空和 深层脱空的反演色版图像以及初期支护后方浅层、中层和深层脱空缺 陷部位实测示例图如图8-13所示。

(三)地震映像法

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一 种常用浅地层勘探方法，可以利用反射波、折射波、面波等多种弹性 波作为有效波来进行探测。

在实际工作中，如选择折射波为有效波，则地震映像波形图上的 第一个同相轴为折射波。折射波同相轴的变化，反映了折射界面深度 和(或)界面以上介质速度的变化。界面水平时，折射波到达时间反 映激发点下界面深度，也是界面上各点的深度。而界面起伏时，折射 波到达时间只能表示滑行波传播路径内界面的平均深度。如图14所 示，为地震映像法的折射波检测的流程示意图。

在根据同相轴的变化特征定量解释时，必须确定界面倾角、界面 速度和上覆介质速度，可利用下式(4)进行计算。

式中，T为传播时间，z为上覆层深度，L为水平距离，i为界面 倾角，V₁为界面速度，V₂为上覆介质速度。

在实际工作中，如选择反射波为有效波，则地震映像波形图上的 第一个同相轴为反射波。

当界面深度发生变化时，反射波的传播时间会发生变化，如在断 层两侧表现为突变；如果是倾斜界面，反射点的位置会偏离记录点向 界面的上倾方向移动。同样可以可根据反射波同相轴的变化情况定性 推断界面的起伏情况。如图15所示，为地震映像法的反射波检测的 流程示意图。

地震映像法的物理前提条件是探测目标体与周围介质间必须存 在着明显的弹性(密度、速度、泊松比)差异，使其地震波在探测目 标体上发生反射或波分解和转换，由此波将目标体的有关信息传入到 初支表面设置的接收装置而被利用。

假设初期支护后方存在空洞，由于密度差异，ρ_岩≤ρ_空，ρ_空取值为 0，其反射系数γ如下式(5)所示：

式(5)表明，当入射波遇到充满空气的洞顶界面时，全部能量 将被反射回地面，在地面上相应的观测点会接收到发生了180°相位 变化的反射波。在实际探测过程中，不良地质体规模较小时，反射系 数将减小，顶部反射波能量也将减弱。如图16所示，为初期支护后方岩溶缺陷的地震映像实测图。

本发明提供了一种长距离引水隧洞初期支护隐伏缺陷综合无损 检测方法，包括以下步骤；

S1、采用地质雷达法，利用双通道地质雷达分别对初期支护浅层 和深层部位进行探测，获取初期支护不同深度的隐伏缺陷的地质雷达 电磁波数据；

S2、对初期支护典型隐伏缺陷的地质雷达电磁波数值进行模拟正 演，并将模拟正演结果与实测的地质雷达电磁波数据进行比对，通过 同相轴特征和色谱特征的相似度初步判别各类隐伏缺陷在深度方向 的位置；

具体地，将模拟正演结果与实测的地质雷达电磁波数据进行比对 是通过比对隐伏缺陷的特征，隐伏缺陷的特征包括色谱值特征和同相 轴特征等；其中，色谱值特征：指雷达波振幅强弱采用标准色谱来表 示，红色代表强正波振幅，蓝色代表强负波振幅，黄色代表标准振幅， 雷达波的振幅强弱与地层反射系数一一对应；如图17所示为色谱值 特征表示的示意图。同相轴特征：指地质雷达电磁波记录上各道振动 相位相同的极值(俗称波峰或波谷)的连线。根据雷达记录上有规律 地出现的形状相似的雷达子波画出不同的同相轴，它们表示不同层次 的雷达波，反映了不同地层结构和同层介质的分布特征；如图18所示为同相轴特征表示的示意图；

S3、采用冲击回波声频法检测隐伏缺陷在浅层的介质密度变化， 通过声频回波缺陷反演色版判定浅层隐伏缺陷的类别；

S4、采用地震映像法折射/反射法检测隐伏缺陷在深层的介质密 度变化，通过波幅的分布、大小和正负来判定深层隐伏缺陷的类别；

S5、对地质雷达法、冲击回波声频法和地震映像法探测的隐伏缺 陷存在的异常区域采用工程钻孔取芯法加以验证，确定隧洞初期支护 异常区域的隐伏缺陷类型以及范围。

优选的，所述步骤S1中，利用双通道地质雷达一次使用高低频 两种天线，一次探测完成同一位置的2条测线，同时对初期支护浅层 和深层部位进行检测。

优选的，所述双通道地质雷达的测线分别布置在左右拱肩和拱 顶。

优选的，所述步骤S2中，还包括：对地质雷达典型隐伏缺陷图 谱进行反演处理，以提高地质雷达法检测的分辨率。

优选的，所述采用冲击回波法的音频测线布置在拱肩或拱顶位置 的异常区域，所述采用地震映像法的测线布置在拱肩或拱顶位置的异 常区域。

优选的，所述采用冲击回波法的音频测线布置在拱肩或拱顶位置 的异常区域，所述采用地震映像法的测线布置在拱肩或拱顶位置的异 常区域。

实施例1

某引水隧洞工程，长度120km，采用TBM法施工，初期支护采用C20喷射混凝土、喷射混凝土厚度30cm，支护方式为砂浆锚杆支护。目前初期支护已完成92.3%，对其开展初期支护隐伏缺陷的检测，以便于开展回填灌浆施工。

(一)测线布置

(1)双通道地质雷达测线分别布置在左右拱肩和拱顶；

(2)冲击回波音频测线与地震映像测线布置在拱肩或拱顶相同 位置异常区域。

(二)检测步骤：

S1、利用双通道地质雷达使用高低频两种天线，分别对初期支护 浅层和深层部位进行探测，获取初期支护不同深度的隐伏缺陷的地质 雷达电磁波数据；其中，双通道地质雷达在初期支护隐伏缺陷进行测 量时的参数设定详见表1：

表1

S2、对电磁波典型隐伏缺陷进行数值模拟正演，模拟正演处理过 程为：建立模型(其中，模拟检测天线频率为900MHz)和缺陷尺寸 →赋予材料参数→划分网格→采用差分法计算→输出模拟正演结果， 将得到的模拟正演结果与实测的地质雷达电磁波数据进行比对，通过 同相轴特征和色谱值特征的相似度初步判别各类隐伏缺陷在深度方 向的位置；然后进行地质雷达典型隐伏缺陷图谱反演，反演处理过程 为：源波初始估计→提取源波→计算格林函数→源波估计→输入初始 介电常数和导电率→输入残差值和迭代步长→全波形反演→输出反 演结果；

S3、采用冲击回波声频法检测隐伏缺陷浅层的介质密度变化，通 过声频回波缺陷反演色版判定隐伏缺陷的类别；其中，冲击回波声频 法的参数设置详见表2：

表2

记录长度	1024ms
		采样间隔	5.0ms
道间距	0.05m
		炮间距	0.05m

S4、采用地震映像法的反射法检测隐伏缺陷深层的介质密度变 化，通过波幅的分布、大小和正负来判定深层隐伏缺陷的类别；其中， 地震映像法的参数设置详见表3；

表3

S5、通过钻孔及孔内摄像加以验证，进而确定隧洞初期支护后方 隐伏缺陷的物理特征，包括类别、性质以及范围等。

(三)结果分析：

(1)双通道地质雷达的探测结果

如图19所示，为采用200MHz的地质雷达天线探测的深层隐伏缺 陷的示意图；如图20所示，为采用900MHz的地质雷达天线探测的浅 层隐伏缺陷的示意图；由图19和20的双通道地质雷达的初探结果可 知，GD-DKXX2+232-244拱顶初期支护处判定疑似脱空，喷射混凝土 厚度欠厚。

(2)冲击回波声频联合解译结果

如图21所示，为冲击回波声频法检测结果的示意图，由图21检 测结果可知，GD-DKXX2+232-244拱顶初期支护处欠厚、脱空。

(3)地震映像联合解译结果

如图22所示，为地震映像法检测结果的示意图，由图21检测结 果可知，GD-DKXX2+232-244拱顶初期支护处存在脱空。

(4)钻孔(取芯)和孔内摄像验证

如图23所示，为钻孔量测和孔内摄像图。由图23结果可知， GD-DKXX2+232-244拱顶初期支护处钻孔验证结果设计厚度30cm，实 测25cm；背后存在5cm空洞。

通过上述综合无损检测技术与钻孔和孔内摄像验证，查明了 GD-DKXX2+232-244拱顶初期支护处存在初期支护后方空洞，并给出 了其物理性质、几何尺寸，以为后续回填灌浆提供了基础的数据。

本发明通过对隧洞初期支护无损检测，查明了初期支护内部质量 和隐伏缺陷，并确定检测隐伏缺陷异常部位的具体位置，包括桩号、 高程和横向分布位置，综合分析给出准确的质量信息，从而可正确指 导施工单位开展初支后方空洞处理工程施工作业，保证工程质量，提 高生产效率，并预防初支后方空洞的产生，同时提出初期支护后方存 在脱空等缺陷的合理化处置措施和建议，为长距离引水隧洞初期支护 结构安全提供技术支撑，确保隧洞衬砌及支护工程高质量建设与长效 安全运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改 变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种引水隧洞初期支护隐伏缺陷的综合无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用地质雷达法，利用双通道地质雷达分别对初期支护浅层和深层部位进行探测，获取初期支护不同深度的隐伏缺陷的地质雷达电磁波数据；

S2、对初期支护典型隐伏缺陷的地质雷达电磁波数值进行模拟正演，并将模拟正演结果与实测的地质雷达电磁波数据进行比对，通过同相轴特征和色谱特征的相似度初步判别各类隐伏缺陷在深度方向的位置；

S3、采用冲击回波声频法检测隐伏缺陷在浅层的介质密度变化，通过声频回波缺陷反演色版判定浅层隐伏缺陷的类别；

S4、采用地震映像法折射/反射法检测隐伏缺陷在深层的介质密度变化，通过波幅的分布、大小和正负来判定深层隐伏缺陷的类别；

S5、对地质雷达法、冲击回波声频法和地震映像法探测的隐伏缺陷存在的异常区域采用工程钻孔取芯法加以验证，确定隧洞初期支护异常区域的隐伏缺陷类型以及范围。

2.根据权利要求1所述的综合无损检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用双通道地质雷达一次使用高低频两种天线，一次探测完成同一位置的2条测线，同时对初期支护浅层和深层部位进行检测。

3.根据权利要求1所述的综合无损检测方法，其特征在于，所述双通道地质雷达的测线分别布置在左右拱肩和拱顶。

4.根据权利要求1所述的综合无损检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括：对地质雷达典型隐伏缺陷图谱进行反演处理。

5.根据权利要求1所述的综合无损检测方法，其特征在于，所述采用冲击回波法的音频测线布置在拱肩或拱顶位置的异常区域，所述采用地震映像法的测线布置在拱肩或拱顶位置的异常区域。

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