滲水隧道隱伏病害探地雷達探測技術(shù)★

劉振東 張 剛 王署強

(1.中國海洋大學，山東青島 266100;2.山東省交通廳基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東濟南 250002)

0 引言

滲漏水問題是運營隧道中普遍存在的問題之一，幾乎所有的隧道都存在滲漏水的情況，不僅促進混凝土的風化，造成隧道襯砌變形破壞，降低襯砌混凝土強度，影響隧道附屬設(shè)施的正常使用，減少隧道的使用壽命，而且使得隧道的正常運行存在安全隱患［1］。

隧道在運營過程中由于地質(zhì)條件、水文條件、施工技術(shù)等存在不同，在隧道中存在的隱伏病害形式多種多樣，對隧道的安全造成嚴重影響，在日常使用過程中如何及時、準確的發(fā)現(xiàn)和分辨不同類型的病害，是探測的難點。

對于隱伏病害的檢測，目前主要有傳統(tǒng)檢測和無損檢測兩種方法。由于傳統(tǒng)方法如鉆孔取芯等對于運營隧道的結(jié)構(gòu)具有一定的破壞性，在隧道中不能全面開展［2］，從而使得對于隱伏病害的反映不夠完全。隨著科技的不斷發(fā)展，在隧道病害檢測中無損檢測技術(shù)越來越廣泛的受到重視。探地雷達技術(shù)以其探測速度快、連續(xù)、準確，能及時發(fā)現(xiàn)病害的位置與規(guī)模的特點，在病害檢測中被廣泛應(yīng)用［3］。但是，針對不同病害的檢測過程存在隨意性，而且在數(shù)據(jù)解譯方面，不同的專業(yè)人員對于同一種病害的認識存在差異，這也使得數(shù)據(jù)解譯過程存在多解性，并且缺少整體研究。

本文主要就是要對隧道病害的探測過程進行整體分析，試圖建立隧道無損檢測的標準流程，構(gòu)建不同病害的標準異常特征，以提高檢測的精確度。

1 隧道滲漏水成因分析

公路隧道大多修建于山區(qū)地帶，地質(zhì)條件復雜，滲漏多出現(xiàn)在埋深較淺、節(jié)理發(fā)育、圍巖破碎、裂隙水發(fā)育的地段。在灰?guī)r地區(qū)，裂隙水較發(fā)育，由于隧道的開挖，破壞了原有的地下水系統(tǒng)的平衡，造成水向開挖隧道轉(zhuǎn)移，在轉(zhuǎn)移過程中由于灰?guī)r受到水的侵蝕，在巖層中易滲漏通道，從而在隧道附近形成新的儲存點，當襯砌存在縫隙等薄弱區(qū)段時，就有可能造成隧道內(nèi)部滲漏水的情況。除此之外，由于設(shè)計的過程中，選址的不當使得隧道通過斷層破碎帶，使得圍巖松動，產(chǎn)生裂隙，形成滲漏水通道［4］。但是，最主要的原因還是人工造成的，由于在襯砌支護及隧道防水處理過程中存在不當?shù)默F(xiàn)象，隧道在運營過程中存在施工縫密封條老化、襯砌內(nèi)排水管道破壞、襯砌鋼絲網(wǎng)破壞等病害，為裂隙水形成滲漏通道提供了條件。要減少滲水的危害，關(guān)鍵是要找到隧道的隱伏病害并進行維護處理。

2 隧道隱伏病害探測技術(shù)

2.1 探地雷達技術(shù)

探地雷達是一種用于探測地下目標體的無損檢測技術(shù)，探地雷達將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式向探測目標體發(fā)射，由于不同介質(zhì)體界面存在電性差異，一部分電磁波反射回來，通過記錄反射波的反射時間和反射幅度判斷目標體的結(jié)構(gòu)和屬性。電磁波的反射原理見圖1。

圖1 探地雷達反射波原理示意圖

介電差異是探地雷達檢測的基礎(chǔ)，在隧道病害中，一般情況下襯砌空洞、回填不密實、脫空及裂縫中都有水或者空氣填充，與混凝土存在較大的電性差異，使得信號較明顯，便于異常的判讀。

2.2 隱伏病害雷達探測方案

在進行隧道隱伏病害檢測時，前期的準備工作格外重要，可能使檢測工作事半功倍。隧道病害無損檢測系統(tǒng)的建立可以為檢測工作的開展提供規(guī)范，針對病害類型建立一套系統(tǒng)的檢測規(guī)程，提高工作效率。探測方案中的內(nèi)容如下:

1)隧道設(shè)計資料和施工資料的收集。隧道資料中包含著豐富的可參考信息，包括各區(qū)段圍巖等級、施工工藝、襯砌厚度、隧道高度等，為測線的布設(shè)和天線中心頻率的選取提供數(shù)據(jù)支持。

2)天線中心頻率的選擇。天線中心頻率的選取在工程應(yīng)用中占據(jù)著相當重要的位置，直接決定著探測的準確性，天線中心頻率主要受到探測深度、分辨率和探測區(qū)環(huán)境干擾因素三方面的影響。天線的選擇必須兼顧目標體的尺寸大小和探測深度，在滿足探測深度的條件下，為盡可能提高雷達分辨率，應(yīng)選擇高頻率天線。

3)隧道內(nèi)環(huán)境的記錄。隧道中存在很多影響探地雷達信號解譯的干擾源，如電線反射、金屬反射、金屬網(wǎng)布設(shè)等，如果沒有記錄，很可能會被誤判成異常體，因此，現(xiàn)場記錄有助于減少誤判的概率，提高檢測精度。

4)測線的布設(shè)。測線的布設(shè)對于探測能否達到目的起到了關(guān)鍵性的作用，如果測線布設(shè)不合理，就算做了大量的工作也可能找不到探測的目標體。對于襯砌裂縫等條狀病害，測線應(yīng)該垂直目標體，并平行布設(shè)多條。對于襯后空洞等片狀病害，應(yīng)當設(shè)定網(wǎng)狀測線。測線布設(shè)見圖2。

圖2 不同類型病害測線布設(shè)示意圖

同時，還要根據(jù)病害的大小和要求的最小分辨率進行布線，以免布設(shè)的測線間距過大，造成病害的漏測。

3 不同類型病害的剖面異常特征

某位于灰?guī)r地區(qū)的公路隧道，在運營過程中出現(xiàn)多處滲漏水情況，存在嚴重的安全隱患。為查明襯砌滲漏及路面冒水的原因，運用探地雷達主要對部分隧洞壁施工縫和病害位置進行了檢測。施工縫的檢測采用沿施工縫掃描的方式;滲漏病害位置檢測采用多條相交測線的面積掃描方式。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對主要病害的雷達剖面異常特征進行如下總結(jié)分析:

1)襯后空洞。由于灰?guī)r地區(qū)巖層含水量較大，當混凝土存在空洞時，會被水填充，水和混凝土之間存在較大的介電差異，在介電界面雷達波發(fā)生較強的多次反射，振幅較大，能量增強(見圖3)。

圖3 襯后空洞剖面圖

2)襯砌裂縫。襯砌裂縫是襯砌內(nèi)積水往外滲漏的通道，由于裂縫處的錯斷使得介電常數(shù)發(fā)生改變，在雷達剖面上顯示為多次高頻反射，同相軸出現(xiàn)錯斷(見圖4)。

圖4 襯砌裂縫剖面圖

3)襯后充填不密實。在襯砌施工過程中，由于操作不當和施工工藝等問題，容易在襯砌中存在局部不密實現(xiàn)象，不密實處存在多個反射界面，在雷達剖面上顯示為多個反射波，反射波振幅增強，同相軸雜亂(見圖5)。

4)襯砌防滲層破壞。當襯砌防滲層破壞以后，由于滲漏水的作用防滲層易發(fā)生變形，使得防滲層和混凝土結(jié)構(gòu)混在一起，雷達剖面顯示為防滲層同相軸不連續(xù)(見圖6)。

5)原巖破壞。由于隧道的開挖破壞了原巖的力學平衡，造成和初期支護相連的原狀巖壁出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，在雷達剖面上會顯示為局部反射信號，被水充填后，散射信號增強(見圖7)。

圖5 襯后充填不密實

圖6 襯砌防滲層破壞

圖7 原巖破壞

4 結(jié)語

本文從探測過程進行研究，通過歸納總結(jié)隧道病害檢測中可能存在的干擾因素問題，提出了相應(yīng)的注意事項，以及采取相應(yīng)的措施，提高了工作效率，同時，通過對不同病害類型所反映的雷達剖面進行分析總結(jié)，為隧道病害檢測提供了參考依據(jù)，增加數(shù)據(jù)解譯的精度。說明了在灰?guī)r地區(qū)隧道滲漏水問題與隧道隱伏病害的分布存在一定的關(guān)系。通過對隧道病害的無損檢測能夠準確找到病害的位置并進行相應(yīng)處理，減少因為隧道滲漏水問題帶來的危害。在隧道檢測過程中，由于隧道襯砌表面凹凸不平，尤其是檢測過程主要靠人工完成，天線的移動速度不均勻，使得檢測結(jié)果存在一定誤差［5］。因此，在檢測過程中應(yīng)該盡量保持天線移動勻速，并盡量使測線不應(yīng)過長，每隔5 m～10 m做好標記，這樣做不僅可以減少人為造成的誤差，而且可以為數(shù)據(jù)解譯提供便利。

［1］ 張世豪，張 斌.石灰質(zhì)條件下隧道滲漏水的分析與處理［J］.鐵道建筑，2012(2):73-75.

［2］ 張智蔚，孫楊勇，陳 強.公路探地雷達技術(shù)在隧道檢測中的應(yīng)用探討［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2008，4(40):141-143.

［3］ 楊 峰，蘇紅旗.探地雷達技術(shù)及其在公路隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.筑路機械與施工機械化，2005(10):82.

［4］ 劉會迎，宋宏偉.隧道滲漏水成因分析及治理措施研究［J］.重慶交通大學學報(自然科學版)，2007，26(4):99-101.

［5］ 吳波鴻，白雪冰，孔祥春.探地雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2008，32(2):229-231.