Viện khoa học và công nghệ GTVT
Advanced Techniques for Tunnels Inspection

TS. Bùi Đức Chính
KS. Nguyễn Thái Khanh


Tóm tắt: Công tác kiểm tra đánh giá chất lượng các công trình hầm giao thông trên thế giới đã được quan tâm từ rất sớm. Hầu hết các nước có các công trình hầm giao thông đều xây dựng được một chương trình kiểm tra đánh giá, trong đó các phương pháp NDT rất được chú trọng. Trong bài này giới thiệu một số phương pháp NDT tiên tiến đã và đang được sử dụng phổ biến và hiệu quả với đặc thù của kết cấu công trình ngầm. Bài báo cũng đưa ra khuyến nghị về sự cần thiết phải áp dụng các phương pháp đó trong công tác kiểm tra các công trình hầm ở nước ta.

Abstract: The tunnel inspection and evaluation work has been paid much attention early worldwide. Most of the countries that possess transport tunnels have developed for themselves an investigation/inspection and evaluation program, where special importance was attached to the NDT methods. This paper introduces a number of advanced NDT methods being used widely and effectively for the particular features/specific characteristics of underground works. The paper also gives recommendations on the need to apply those methods in the inspection work of tunnels in Vietnam.

1. MỞ ĐẦU
Các công trình hầm giao thông là những công trình quan trọng trong hệ thống GTVT của mỗi nước, đòi hỏi những khoản đầu tư lớn và dài hạn. Các vụ tai nạn xẩy ra trong hầm gây tổn thất rất lớn về người và của cải, tác động lớn đến môi trường. Qua thống kê các vụ tai nạn hầm trên thế giới cho thấy rằng nguyên nhân xẩy ra các vụ tai nạn có nhiều như: do thiên tai, do chủ quan của con người, do thiết kế, thi công… nhưng một phần hết sức quan trọng có liên quan đến hoạt động kiểm tra, bảo dưỡng hầm [1]. Do đó ở hầu hết các nước có hệ thống công trình hầm giao thông đều đã xây dựng cho mình một chương trình kiểm tra, bảo dưỡng hầm. Để công tác kiểm tra hầm đạt hiệu quả cao ngăn ngừa được những sự cố tiềm ẩn có thể xẩy ra, ngoài việc kiểm tra bằng các phương pháp kiểm tra chất lượng thông thường, cần phải có những thiết bị, phương pháp không phá hủy tiên tiến phù hợp với đặc thù của kết cấu công trình hầm.

2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA CÔNG TRÌNH HẦM GIAO THÔNG TIÊN TIẾN
2.1. Yêu cầu đối với các phương pháp kiểm tra công trình hầm giao thông 
-Với sự trợ giúp của các phương pháp NDT có thể theo dõi và phát hiện được các khuyết tật ở toàn bộ vỏ hầm (ví dụ các chỗ rò rỉ nước, các vết nứt, chỗ bị ăn mòn, các khe rỗng).
-Chỉ cần bố trí các thiết bị kiểm tra ở trong hầm mà vẫn có thể theo dõi được các khuyết tật.
-Các phương pháp NDT phải có thể sử dụng hiệu quả ở các hầm có các loại vỏ được xây dựng từ vật liệu khác nhau, chẳng hạn như vỏ hầm bằng đá tự nhiên, bê tông hoặc bằng gang đúc.
-Kết quả của các phương pháp NDT không thể bị ảnh hưởng hoặc bị sai lệch đi do có sự hiện diện của các hệ thiết bị (hệ chiếu sáng và hệ thông gió…) hoặc đường dây điện tiếp xúc trên cao ở trong hầm. Ngoài ra các phương pháp kiểm tra không được làm cản trở đến sự vận hành của các hệ thiết bị hoặc sự an toàn của các hệ thống điều khiển đặt trong hầm.
-Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích trực tiếp về các khuyết tật tiềm ẩn thì bằng mọi cách, cố gắng để có được các kết quả kiểm tra ngay sau khi khảo sát ở chính hầm đó.
-Các thiết bị kiểm tra không được gây nguy hiểm đối với người sử dụng hoặc đối với người vận hành hầm. 

2.2. Các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy
Các phương pháp không phá hủy tiên tiến để kiểm tra các bộ phận kết cấu hầm hiện nay thường dựa vào các kỹ thuật sau đây:

2.2.1. Các kỹ thuật đo độ biến dạng (distortion) tiết diện hầm
Bằng cách đo chuyển vị bên trong của hầm tại một số điểm đã biết, theo định kỳ thời gian có thể khảo sát và đo đạc được sự biến dạng của vỏ hầm. Kỹ thuật này khá quen thuộc và một số phương pháp kể cả thiết bị đo biến dạng bằng laser và chụp ảnh nổi đều đã được áp dụng.

2.2.2. Các kỹ thuật dao động cơ học
Những kỹ thuật này bao gồm: 
-Các phương pháp động học kết cấu (rung động trực tiếp);
-Phản xạ và khúc xạ địa chấn;
-Vi địa chấn và phân tích phát tán âm thanh.
Tất cả các kỹ thuật trên liên quan tới việc đo phản ứng của kết cấu đối với một dao động nhân tạo. Sau đó sẽ tiến hành so sánh dạng phản ứng của kết cấu đó so với một kết cấu được biết trước là không bị khuyết tật. Nếu trong kết cấu có khuyết tật thì dạng phản ứng sẽ có sự thay đổi. Đây là kỹ thuật được sử dụng khá rộng rãi trong chẩn đoán công trình.

2.2.3. Các kỹ thuật điện và điện tử
Các kỹ thuật này gồm các phương pháp dòng điện kiểu xoáy, ra-đa địa chất và phương pháp điện thế, được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Các dòng điện xoáy được sử dụng để kiểm tra các thông số về cốt thép. Georadar được sử dụng để kiểm tra các khuyết tật trong kết cấu hoặc trong khối nền. 

2.2.4. Các kỹ thuật quang học
Các kỹ thuật quang học bao gồm phương pháp nhiệt đồ hồng ngoại và phân tích đa phổ. Cả hai phương pháp này đều thực hiện chụp ảnh bề mặt vỏ hầm, dùng phim và các kính lọc nhạy cảm với phổ ánh sáng nhìn thấy được hoặc đối với các bước sóng hồng ngoại tương ứng. Những hiện tượng dị thường trên bề mặt hoặc ở bên trong lớp vỏ hầm sẽ làm cho mẫu dạng bức ảnh bị thay đổi, nhờ vậy mà có thể phát hiện được các khuyết tật không thấy được bằng mắt thường.

2.3. Một số phương pháp kiểm tra hầm tiên tiến
2.3.1. Xe chụp ảnh bề mặt vỏ hầm bằng cách quét laser
Bước đầu tiên trong kiểm tra hầm là phải kiểm tra bề mặt lớp vỏ bằng mắt nhìn để xem có sự biến dạng và hiện tượng hư hỏng như các vết nứt, vỡ dễ thấy. Sau khi kiểm tra, các khuyết tật hoặc biến dạng phải được ghi chép thành sổ theo dõi. Công việc này thường tốn nhiều thời gian, công sức và có thể bỏ sót nhiều khuyết tật. Do đó để trợ giúp cho việc kiểm tra bằng mắt thường người ta đã sử dụng xe chụp ảnh bề mặt vỏ hầm.


Hệ thống gồm một thiết bị chụp ảnh, bộ xử lý hình ảnh và máy phân tích. Thiết bị chụp ảnh là một hệ thống dựa trên bộ quét laser có dùng một tia laser với bước sóng là 500 nm. Nó có thể chụp ảnh các vết nứt có bề rộng 1 mm hoặc lớn hơn trên bề mặt vỏ hầm. Đây là một xe 8 tấn có thể chạy cả trên đường sắt lẫn trên đường bộ. Nó cũng có thể sử dụng được với mọi loại khổ đường sắt và có thể chụp ảnh vỏ hầm ở tốc độ chạy 3,5 km/h. Các số liệu đo đạc từ đợt kiểm tra được xử lý trên máy tính để tạo được một bình đồ triển khai biến dạng vỏ hầm. 

2.3.2. Phương pháp Ra-đa địa chất (georadar)
·Nguyên lý của phương pháp
Phương pháp Ra-đa địa chất là phương pháp dựa vào kỹ thuật phát và thu sóng. Sóng phát ra và thu vào trong phương pháp này là sóng điện từ có dải tần số từ 80 đến 1000 MHz. Nhờ việc phát và thu sóng phản xạ từ các vị trí trong cấu kiện kiểm tra có thể xác định được khoảng cách từ bề mặt đến vị trí đó:


(1)
Trong đó : s - khoảng cách từ vị trí phản xạ đến bề mặt (m)
- tốc độ khuyếch tán (m/s)
t - thời gian (s)


Tốc độ khuyếch tán phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu và có thể xác định một cách gần đúng bằng công thức sau [2]:

(2)
Trong đó : - tốc độ khuyếch tán (m/s);
c - tốc độ ánh sáng trong chân không (c=3. 108 m/s);
eR - hằng số điện môi tương đối của vật liệu.


·Thiết bị kiểm tra
Để tiến hành kiểm tra theo nguyên lý phương pháp này người ta thường dùng xe kiểm tra. Xe kiểm tra gồm có một hệ thống ra-đa phát chùm tia thẳng tương ứng công nghệ ra đa sóng điện từ. Trong ra-đa chùm tia thẳng, mười sáu ăn-ten truyền phát và mười sáu ăn-ten thu được bố trí thành hai hàng trên bề rộng khoảng một mét vuông góc với phương quét. 




Khi thực hiện kiểm tra, hệ thống này phát ra 256 kiểu sóng radio. Mỗi một dải có bề rộng một mét đều được kiểm tra bằng cách thu nhận các sóng radio từ chỗ giáp ranh giữa bê tông bên trong vỏ hầm và thực thể có các tính chất điện học khác nhau (mức ngậm nước của khe hổng, vết nứt ở thanh cốt thép v.v..), nhờ vậy người ta xác định vị trí của một khuyết tật theo độ sâu, phạm vi và kích thước của nó. 
·Các ứng dụng
Phương pháp này có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực kiểm tra các bộ phận kết cấu công trình hầm giao thông. Nó có thể xác định vị trí các thanh cốt thép trong kết cấu bê tông, xác định bề dày của lớp vỏ bê tông, phát hiện các vết nứt, sự tách lớp, lỗ rỗng trong bê tông… Độ sâu kiểm tra có thể đạt 40 cm. Độ chính xác của kích thước khuyết tật có thể đạt đến ±1 mm và phụ thuộc vào độ sâu kiểm tra.
2.3.3. Phương pháp nhiệt đồ hồng ngoại
·Cơ sở lý thuyết
Nhiệt đồ hồng ngoại sử dụng bức xạ nhiệt, là dạng bức xạ được phát tán bởi mọi bề mặt. Bức xạ nhiệt, còn được hiểu là bức xạ hồng ngoại, gắn với dải quang phổ nhìn thấy được đối với mọi người. Phạm vi bước sóng hồng ngoại là ở khoảng giữa 0,75mm và 800mm.
Để đo ghi dữ liệu kiểm tra kỹ thuật bằng hồng ngoại người ta thường sử dụng các dải bước sóng hồng ngoại ở phạm vi trung bình.
Các kỹ thuật đo ghi hồng ngoại cho người kiểm tra nhìn thấy được sự phân bố nhiệt độ trên một bề mặt. Sự phân bố nhiệt bề mặt biểu thị dòng nhiệt đi qua bề mặt này. Một hình ảnh nhiệt đồ biểu hiện bức xạ nhiệt của bề mặt vật thể đang xét bằng hình ảnh chụp. Hiệu quả của phương pháp nhiệt đồ phụ thuộc nhiệt độ bề mặt của vật thể.
Mặt khác thì nhiệt độ trên bề mặt của vật thể bị chi phối bởi dòng nhiệt và tính dẫn nhiệt liên quan truyền qua phần kết cấu đó. Tính dẫn nhiệt của vỏ hầm bị ảnh hưởng bởi các khuyết tật như các khe rỗng và các mảng bị ẩm ướt (moisture patch), cũng như bởi các vật liệu được dùng làm vách hầm. Dựa trên cơ sở đó, bằng cách ghi bức xạ hồng ngoại trên bề mặt kết cấu vỏ hầm có thể đánh giá được các khuyết tật trong kết cấu.
·Cách thức tiến hành
Việc khảo sát bằng ảnh hồng ngoại trong hầm được thực hiện bằng một máy quét (scanner) đặt trên một xe di động (có thể là toa xe). Máy quét là một thiết bị đo quang điện xoay quanh trục của bản thân nó (hình 3). Thiết bị quét chủ yếu khảo sát toàn thể vỏ hầm trên toàn bộ diện tích của nó, sao cho có thể đo, ghi và lưu giữ bằng số được cường độ bức xạ nhiệt của mỗi một bộ phận ở bề mặt vỏ hầm với kích cỡ lên tới 15cm.



Bộ quét phải được đặt ở phía trước xe đo để tránh nhiệt tỏa ra (bức xạ nhiệt, không khí làm mát) làm ảnh hưởng đến sự phát tán nhiệt của bề mặt vỏ hầm và làm cản trở sự đánh giá chuẩn. Vì lý do đó mà không thể áp dụng phương pháp này khi có xe cộ lưu thông qua hầm.
Ngoài việc đo, ghi nhiệt độ, tùy thuộc vào loại thiết bị được sử dụng mà với bộ quét này có thể đồng thời ghi nhận được một hình ảnh trực quan về vỏ hầm.
Các phim do máy scanner chụp có thể in ra tại hiện trường nhờ một máy in và cũng có thể được lưu trên một băng từ và được xử lý sau khi khảo sát bằng máy vi tính. Những sai lệch có thể có trong ảnh chụp do nhiều nguyên nhân, chẳng hạn như: vận tốc chạy xe không đồng đều, sự thay đổi về tiết diện hầm, vị trí của scanner trong mặt cắt ngang hầm bị nghiêng lệch, do mặt đường ray không bằng bặn… Các sai lệch này đều có thể hiệu chỉnh trong quá trình đánh giá. Các điểm cố định trong hầm ở các vị trí đã biết rõ (như các mốc cao đạc, các tấm biển gắn tham chiếu khác) đều có thể được sử dụng để thu được một hình ảnh được chỉnh sửa sát đúng tỷ lệ thực.
Để lý giải được bức ảnh nhiệt đồ, rất cần phải có một mô hình đánh giá ở dạng một chương trình máy tính mô phỏng dòng nhiệt của lớp vỏ hầm đồng thời vẫn xét đến các yếu tố đã biết (chẳng hạn như gradient nhiệt độ, vật liệu và sự xếp đặt lớp vỏ hầm). Trong một số trường hợp, cần phải tiến hành thí nghiệm theo dõi riêng.
Để đánh giá và diễn giải các dữ liệu thông qua các chương trình máy tính, thì các hình ảnh chụp nhiệt đồ và nhìn bằng mắt sẽ được đánh giá riêng rẽ và sẽ được so sánh với nhau. Kết quả là một bức tranh tổng hợp về vỏ hầm, ở độ tối đậm nhạt khác nhau hoặc ở dạng một hình ảnh có màu bị lỗi, trong đó sự không đồng nhất của vỏ hầm (ví dụ có các khuyết tật) có thể phân biệt được qua màu sắc khác nhau. 
·Phạm vi áp dụng
Trong các hầm đã được khảo sát bằng phương pháp nhiệt đồ hồng ngoại thì các vùng bị ẩm ướt trong vỏ hầm cũng như hiện tượng rỉ nước, về cơ bản đều được phát hiện. Trong các thí nghiệm mô hình về một hầm thử nghiệm, thì các khe rỗng và các khu vực có sự kết dính kém giữa vỏ hầm và khối nền đá (được làm theo cách nhân tạo) đều nhận dạng được [2].
2.3.4. Phương pháp phân tích đa phổ
·Cơ sở lý thuyết
Trong trường hợp phân tích đa phổ, các bức ảnh về bề mặt của một vật thể được thực hiện theo cách tương tự như chụp ảnh màu. Điểm khác nhau chủ yếu giữa phân tích đa phổ và chụp ảnh màu là khi một hình ảnh được thể hiện bằng phương pháp cũ (ảnh màu) thì toàn bộ phổ ánh ánh sáng không được ghi nhận ngay lập tức; thay vào đó là các vùng phổ nhỏ được lọc ra. Nhằm mục đích này thường người ta sử dụng sáu bộ lọc riêng. Mỗi một bộ lọc có một dải truyền từ 40 nm đến 100 nm, và tất cả các kính lọc đó sẽ bao quát được toàn bộ dải phổ từ 400 nm đến 900 nm. ít nhất thì mỗi bộ lọc cũng thu được một hình ảnh của cùng một khoang hầm. Theo cách này thì nội dung thông tin của phổ ánh sáng, thường bị giảm đi do bề mặt chụp, sẽ được phân chia ra và được ghi lại.
·Phạm vi áp dụng
Phương pháp phân tích đa phổ được sử dụng để dò tìm các vết nứt trong hầm, mới chỉ có tính chất thử nghiệm. Nhờ độ phân giải cao mà phương pháp có thể nhận dạng được các vết nứt mảnh tới 0,5 mm. Ngoài ra, còn kiểm tra được các sản phẩm trong quá trình carbonate hóa của vỏ hầm, cũng như các mảng bị ẩm ướt trên các khu vực bề mặt kết cấu.
2.3.5. Kiểm tra bê tông bằng phương pháp phản hồi xung
·Đặt vấn đề
Ở các hầm được xây dựng theo phương pháp đào hầm truyền thống, thì công tác đổ bê tông kiểu liên tục không phải lúc nào cũng thực hiện được do trục trặc về thiết bị hoặc các trục trặc trong thời gian tác nghiệp bê tông, sẽ dẫn đến kết quả là trong một số trường hợp không thể đảm bảo bề dày vỏ hầm như thiết kế. Nếu một vị trí mà ở đó bề dày vỏ hầm nhỏ hơn bình thường, lại ở bên cạnh một vị trí có một khe hở rộng ở mặt sau lớp vỏ hầm, thì những vị trí này sẽ trở thành những điểm yếu. ứng suất có thể tập trung vào điểm yếu của bê tông vỏ hầm do áp lực từ khối nền tác động vào, và ở một vài trường hợp có thể hình thành các vết nứt. Để tìm ra nguyên nhân, cần tiến hành kiểm tra nhằm đo cường độ và bề dày của bê tông vỏ hầm và đo khe hở ở phía mặt sau vỏ hầm một cách cụ thể. Việc kiểm tra này có thể được thực hiện bằng cách khoan một lõi ở vị trí thích hợp. Tuy nhiên phương pháp này không phải bao giờ cũng có thể áp dụng được do ảnh hưởng của cốt thép, hệ thống dây điện… và đặc biệt là thời gian khảo sát thăm dò bằng phương pháp khoan rất lâu ảnh hưởng đến việc khai thác hầm.
Để giải quyết vấn đề này, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng một phương pháp cho phép đo một cách hiệu quả “độ dày của vỏ hầm”, “cường độ bê tông” và “khe hở ở phía sau lớp vỏ hầm” với một độ chính xác nhất định.
·Nguyên lý phương pháp
Dùng búa gõ lên bề mặt lớp vỏ hầm, sẽ tạo ra một xung truyền vào trong. Xung này khi gặp phải một vật cản như lỗ rỗng trong bê tông, mặt phía ngoài của lớp vỏ hầm…sẽ phản hồi trở lại và được thu bởi một cảm biến đặt trên bề mặt vỏ hầm. Cả đầu búa và cảm biến đều được nối với một thiết bị xử lý như trên hình 4.



Các số liệu thu nhận được sẽ được xử lý theo phương pháp chuyển đổi Fourier nhanh. Nhờ phân tích bằng phương pháp số mô hình kết cấu hầm, dữ liệu này cho thấy rõ là có ứng suất và chuyển vị xảy ra đối với vỏ hầm, cũng như là có những thay đổi về ứng suất và chuyển vị tương ứng với sự thay đổi của tải trọng. 

3. MỘT SỐ KIẾN NGHỊ
Công tác kiểm tra đánh giá chất lượng công trình hầm giao thông đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa các sự cố tiềm ẩn có thể xẩy ra, hạn chế được những thiệt hại về người và của cũng như những tác động đến môi trường. 
Do đặc thù của kết cấu, trong quá trình kiểm tra công trình hầm giao thông chỉ có thể tiếp cận được mặt ngoài của vỏ hầm. Do đó việc kiểm tra tình trạng vỏ hầm cũng như tình trạng tiếp xúc giữa vỏ hầm và đất nền bằng các phương pháp thông thường là rất khó khăn. Ngoài ra cần tránh việc đóng cửa hầm quá lâu trong quá trình kiểm tra gây ảnh hưởng đến giao thông trong hầm. Do đó để việc kiểm tra hầm đạt hiệu quả cao phải có các trang thiết bị và phương pháp kiểm tra tiên tiến như đã trình bày ở trên.
Các công trình hầm giao thông ở nước ta bao gồm các hầm đường sắt và đường bộ. Các hầm đường sắt hầu hết đều đã được xây dựng trên 50 năm. Một số hầm đường bộ lớn đã và chuẩn bị đưa vào khai thác như hầm Đèo Ngang, hầm Hải Vân… Công tác kiểm tra chất lượng đảm bảo khai thác an toàn, hiệu quả các công trình này đang đặt ra cho chúng ta những thách thức lớn. Ngay từ bây giờ chúng ta phải xây dựng được một chương trình quản lý khai thác các công trình hầm giao thông phù hợp với trình độ công nghệ trong nước. Ngoài việc xây dựng những quy định về chế độ quản lý khai thác, việc tìm hiểu và xin trang bị các thiết bị kiểm tra hầm tiên tiến cho các đơn vị quản lý hầm là rất cần thiết.


TÀI LIỆU THAM KHẢO


[1]
Đào Xuân Lâm (2004); “Đã đến lúc phải coi trọng công tác quản lý khai thác và bảo trì các công trình cầu, hầm lớn”, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học-công nghệ ngành GTVT giai đoạn 1999-2004, Hà Nội-12/2004, trang 250-259.

[2]
Haack, A., J. Schreyer, and G. Jackel (2003); State-of-the-art of Non-destructive Testing Methods for Determining the State of a Tunnel Lining, Report to ITA Working Group on Maintenance and Repair of Underground Structures.

[3]
Morishima, H. and Odaka, T., (2004); “Concrete Structures and Nondestructive Testing”, IR EAST Technical Review-No.2, pp. 14-21

[4]
Mashimo, H., “State of the Road Tunnel Safety Technology in Japan” 

[5]
Parker, N., and all (2003); “The Application of Nondestructive Evaluation to Subway Tunnel Systems”, TRB 2003 Annual Meeting.