盾構(gòu)隧道壁后注漿質(zhì)量無損檢測研究

蕭健澄

(廣州鐵路(集團(tuán))公司，廣東 廣州 510600)

盾構(gòu)法施工經(jīng)過多年的發(fā)展，無論是施工技術(shù)還是施工機(jī)械方面均已相當(dāng)成熟，盾構(gòu)技術(shù)已開始應(yīng)用于客運(yùn)專線工程項(xiàng)目中，特別是以盾構(gòu)法施工穿江越河的嘗試不斷增多。

壁后注漿是盾構(gòu)法隧道施工中必不可少的重要環(huán)節(jié)之一。漿液固結(jié)硬化后起到充填盾構(gòu)外殼與管片間的空隙，并提供一定承載力，穩(wěn)定管片襯砌的作用。然而，在實(shí)際工程中，管片背后注漿由于漿液的流動性、泌水性、滲透性和穩(wěn)定性，以及隧道所處地層特性等原因，漿液在管片背后分布情況難以預(yù)測，存在壁后注漿的實(shí)際效果難以控制等技術(shù)難題，缺乏切實(shí)可靠的控制手段。

為保證過江隧道主體結(jié)構(gòu)的安全，選擇試驗(yàn)段對隧道的壁后注漿厚度進(jìn)行檢測是十分必要的，但目前國內(nèi)尚沒有成熟的壁后注漿效果檢測手段。針對這一問題，本文以現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)為手段，采用探地雷達(dá)對試驗(yàn)段進(jìn)行壁后注漿厚度無損檢測。試驗(yàn)探測過程中，采用不同類型雷達(dá)、不同中心頻率天線進(jìn)行探測，分析其探測效果，為隧道全線的壁后注漿檢測提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

獅子洋隧道位于廣深港客運(yùn)專線東涌站至虎門站間，穿越珠江入?？诘莫{子洋，為單洞雙線結(jié)構(gòu)。一般地段兩線間距為22 m，隧道土建工程按列車速度目標(biāo)值350 km/h設(shè)計。隧道全長10.8 km，其中盾構(gòu)段9.34 km、明挖段1.46 km，最大水頭約67 m。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑9.80 m、外徑10.80 m，刀盤直徑11.18 m。隧道穿越地層較復(fù)雜，軟土層、軟硬不均地層、全斷面軟巖、硬巖等地層交錯。

2 檢測原理及設(shè)備

2.1 檢測原理

探地雷達(dá)是一種確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，它利用發(fā)射天線將高頻電磁波(10～5 000 MHz)以寬頻帶短脈沖形式送入介質(zhì)內(nèi)部，經(jīng)目標(biāo)體的反射后回到表面，由接收天線接收回波信號。電磁波在介質(zhì)中傳播時，遇到不同電性介質(zhì)的分界面時即產(chǎn)生反射或散射，其傳播路徑、電磁場強(qiáng)度及波形隨所通過的介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收的反射回波的雙程走時、幅度、相位等信息，進(jìn)行信號處理和解析，從而推斷地下介質(zhì)的形態(tài)和性質(zhì)，識別地下目標(biāo)體。

雷達(dá)探測剖面圖常以脈沖反射波的波形形式記錄，波形的正負(fù)峰分別以黑、白表示，或者以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰線、等色線即可形象地表征出地下反射面或目標(biāo)體。在波形記錄圖上各測點(diǎn)均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)成像剖面，根據(jù)雷達(dá)剖面圖像，可以判斷反射界面或目標(biāo)體。其探測原理如圖1所示(A為不同介質(zhì)中反射幅)。

圖1 雷達(dá)探測原理

通過對管片的連續(xù)掃描，探地雷達(dá)發(fā)送的電磁波在管片、壁后注漿層及圍巖中傳播，因各結(jié)構(gòu)層的介電性質(zhì)和幾何形態(tài)不一樣，其電磁響應(yīng)均不一樣，通過對響應(yīng)信息的采集和分析，可判斷各結(jié)構(gòu)層的界面及其分布，以雷達(dá)剖面圖直觀呈現(xiàn)，從而獲得不同部位壁后注漿厚度，實(shí)現(xiàn)對隧道壁后注漿效果的評價。

2.2 檢測設(shè)備

為達(dá)到最佳的檢測效果，本次試驗(yàn)選用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-20型雙通道高速地質(zhì)雷達(dá)和加拿大Sensor＆ Software公司生產(chǎn)的Noggin250型Pulse EKKO-PRO探地雷達(dá)，并采用不同中心頻率天線進(jìn)行掃描試驗(yàn)，對檢測效果進(jìn)行比較。

本次所檢隧道管片混凝土厚度為50 cm，考慮分辨率需求及操控方便等因素，SIR-20型雷達(dá)采用400，900 MHz天線進(jìn)行試驗(yàn)探測，Noggin250型雷達(dá)采用250，500 MHz天線進(jìn)行試驗(yàn)探測。

3 測線布置

本次試驗(yàn)期間，由于隧道仍在掘進(jìn)施工中，右邊墻上有盾構(gòu)機(jī)專用高壓電纜、進(jìn)漿及出漿管等設(shè)施，對雷達(dá)信號有很強(qiáng)的電磁干擾，限制了試驗(yàn)測線的布置。

根據(jù)隧道現(xiàn)場情況及地質(zhì)條件，選取了100 m軟土地層和100 m軟硬不均地層試驗(yàn)段作為雷達(dá)試驗(yàn)探測線，布置了如圖2所示的3條測線，各測線采用的天線采集如表1所示，圖3為拱頂探測數(shù)據(jù)采集情況。

表1 測線采集天線頻率 MHz

圖2 測線布置位置

4 探測結(jié)果

圖3 拱頂測線雷達(dá)儀數(shù)據(jù)采集

通過對采集數(shù)據(jù)的分析，采用了包括水平濾波、垂直濾波、自動補(bǔ)償增益調(diào)節(jié)等處理方法，壓制干擾波，突出各結(jié)構(gòu)層的反射波信息。從同相性、振幅顯著性增強(qiáng)、波形特征及時差變化規(guī)律等方面進(jìn)行識別，得到相應(yīng)的雷達(dá)剖面圖。結(jié)果顯示，SIR-20型雙通道高速地質(zhì)雷達(dá)探測，因管片內(nèi)鋼筋高度密集，對雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波有很強(qiáng)的屏蔽作用，雷達(dá)圖無法分辨管片與圍巖的界面和管片與其背后空隙的界面，難以對注漿情況作出判斷，如圖4所示。Noggin250型探地雷達(dá)探測，500 MHz天線探測的雷達(dá)圖像，管片與注漿層之間的反射清楚，反射界面也較強(qiáng)，注漿的外邊界反射同相軸均勻，無錯斷現(xiàn)象，總體上能反映出注漿層的厚度變化，如圖5所示。250 MHz天線效果較500 MHz天線差。

圖4 SIR-20型雷達(dá)剖面

圖5 Noggin250型雷達(dá)剖面

根據(jù)Noggin250型探地雷達(dá)500 MHz天線探測的雷達(dá)圖像分析顯示，試驗(yàn)段檢測范圍內(nèi)管片壁后注漿較均勻，拱頂位置注漿層的厚度在19～20 cm范圍內(nèi)變化，而底邊墻及底部位置處的注漿層厚度在19～21 cm范圍內(nèi)變化，均已達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié)論

通過對獅子洋隧道局部試驗(yàn)區(qū)間范圍管片壁后注漿的專項(xiàng)檢測可得出以下結(jié)論:

1)通過不同雷達(dá)及頻率天線的探測試驗(yàn)比較，采用Noggin250型500 MHz天線探地雷達(dá)方法進(jìn)行獅子洋隧道壁后注漿質(zhì)量檢測，管片、注漿層(水泥砂漿層)和圍巖等各個電性反射界面清楚連續(xù)，探測深度和精度都能達(dá)到要求，探測方法可行。

2)探地雷達(dá)探測管片壁后注漿質(zhì)量時可以取得良好效果，與其他物探檢測方法相比，利用探地雷達(dá)檢測盾構(gòu)隧道注漿效果，具有省時、省力且更為科學(xué)的優(yōu)勢。通過對探地雷達(dá)實(shí)測圖像進(jìn)行分析處理，可較為準(zhǔn)確地確定注漿體分布、缺陷及其厚度。實(shí)踐表明，在探測工作中選取適當(dāng)?shù)奶降乩走_(dá)和天線頻率，采用多頻段工作頻率進(jìn)行組合探測，更有利于精確確定探測目標(biāo)體的分布和缺陷位置。

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