鐵路隧道隧底病害檢測(cè)模擬試驗(yàn)研究

楊艷青 賀少輝 齊法琳 江波

（1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司軌道交通院，北京100037；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

在軟弱圍巖隧道中仰拱、填充層的完整性對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要作用。如果仰拱、填充層存在設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工質(zhì)量較差、強(qiáng)度不足等問題，那么在列車長期往復(fù)荷載作用下仰拱和填充層極易破損，會(huì)出現(xiàn)落底、排水溝翻漿冒泥、隧底隆起等病害［1-3］。隨著使用時(shí)間的延長、運(yùn)營速度的提高以及運(yùn)量的增長，病害程度會(huì)日益惡化，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行速度和行車安全。因此，對(duì)運(yùn)營隧道進(jìn)行定期檢測(cè)，檢定隧底破損范圍，及早采取整治措施，遏制病害發(fā)展非常必要。目前，地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)在既有鐵路隧道狀態(tài)檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛［4-7］，但是由于隧道仰拱或填充層位于道砟下一定深度，破損的仰拱或填充層與道砟層、圍巖的分界凹凸不平，使得地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果復(fù)雜多變，難以判定。

本文以我國鐵路隧道中較為常見的混凝土整體襯砌隧底結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，按完整、破損2種工況制作隧底模型，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)模擬試驗(yàn)，對(duì)不同工況下地質(zhì)雷達(dá)圖進(jìn)行定性、定量分析，為實(shí)際工程檢測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)方案及模型制作

1.1 試驗(yàn)方案

以單線鐵路隧道混凝土整體襯砌軌面以下深2.0 m，寬5.5 m的橫截面為原型，制作長4.5 m的1∶1隧底模型［8］。模型中一半為完整結(jié)構(gòu)，另一半以隧道中線為分界分別模擬僅填充層破損、仰拱和填充層均破損2種工況。然后，平行于隧道中線在軌道外側(cè)設(shè)置測(cè)線進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。將地質(zhì)雷達(dá)圖的介質(zhì)層分層情況與模型實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，確定隧底不同介質(zhì)層的界面位置，解釋其特征，并定量分析各介質(zhì)層的厚度及其檢測(cè)精度。

1.2 隧底模型制作

圖1 隧底模型設(shè)計(jì)圖（單位：m）

設(shè)計(jì)平面尺寸5.5 m×4.5 m，深2 m的圍巖模擬槽，采用厚240 mm磚墻做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，磚墻內(nèi)壁及槽底敷設(shè)彈性體改性瀝青防水卷材。模擬槽內(nèi)回填素填土、壓實(shí)，模擬隧底結(jié)構(gòu)。按單線鐵路隧道混凝土整體襯砌隧底結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)隧底模型（圖1），自下而上分別為素填土層（隧道中線處厚500 mm）、C20模筑素混凝土仰拱（厚300 mm）、C15混凝土填充層（隧道中線處厚456 mm）、卵礫石（粒徑10～30 mm）、道砟層（厚500 mm）。采用100 mm×100 mm方木模擬枕木（長1.2 m），間距625 mm；采用Ⅰ16工字鋼模擬軌道。破損的填充層、仰拱采用C20混凝土塊進(jìn)行模擬。

為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際工程的一致性，委托具有隧道施工經(jīng)驗(yàn)的施工單位，按圖1進(jìn)行制作，制作過程見圖2。

圖2 隧底模型制作過程

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

2.1 儀器設(shè)備

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)采用SIR-20型主機(jī)，天線采用400 MHz空氣耦合天線，數(shù)據(jù)處理用地質(zhì)雷達(dá)自帶的RADAN后處理軟件。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

如圖1所示，在軌道外側(cè)距軌道80 cm的位置設(shè)置測(cè)線1和測(cè)線2，并以人工牽引的方式沿測(cè)線對(duì)隧底進(jìn)行檢測(cè)（地質(zhì)雷達(dá)天線距道砟表面30 cm）。地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)脈沖重復(fù)頻率75 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)512，掃描速率75次/s。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 定性解釋與比對(duì)分析

經(jīng)后處理軟件處理得到的隧底地質(zhì)雷達(dá)圖見圖3。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)電磁波在介質(zhì)層中振幅指數(shù)衰減特性及各界面反射系數(shù)的正負(fù)變化引起的相位變化特點(diǎn)可確定各介質(zhì)層間的界面位置［9-10］。

對(duì)比地質(zhì)雷達(dá)圖中的介質(zhì)層分布和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際情況，可知：①道砟層、填充層、仰拱、圍巖各層之間的界面出現(xiàn)強(qiáng)反射同相軸，各介質(zhì)層界面清晰可辨；②道砟層頂部出現(xiàn)間斷的強(qiáng)反射同相軸，底部無明顯強(qiáng)反射信號(hào)；③對(duì)于隧底完整段，填充層、仰拱無明顯異常和連續(xù)的強(qiáng)反射同相軸；④對(duì)于破損段，填充層、仰拱出現(xiàn)不規(guī)則強(qiáng)反射，同相軸間斷，雜亂無章，填充層和仰拱破損部分頂部較明顯。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

3.2 介質(zhì)層厚度定量分析

圖4為測(cè)線1上測(cè)點(diǎn)ZC1—ZC16（測(cè)點(diǎn)編號(hào)見圖1）的地質(zhì)雷達(dá)波形圖，通過相位分析可得各介質(zhì)層的界面位置，作為介質(zhì)層厚度定量分析的基礎(chǔ)。

圖4 測(cè)點(diǎn)地質(zhì)雷達(dá)波形圖

對(duì)于介質(zhì)層厚度的定量分析，相對(duì)介電常數(shù)εr的確定至關(guān)重要。相對(duì)介電常數(shù)的取值直接影響介質(zhì)層厚度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鹘橘|(zhì)層厚度的量測(cè)較容易，因此采用反演法按式（1）確定εr。以多點(diǎn)反演計(jì)算值的算術(shù)平均值εˉr作為計(jì)算介質(zhì)層厚度的平均相對(duì)介電常數(shù)值，以減少計(jì)算誤差。

式中：C為光速，取0.3 m/ns；Δt為電磁波在介質(zhì)層中的雙程旅時(shí)，ns；D為介質(zhì)層厚度實(shí)測(cè)值，m。

介質(zhì)層厚度計(jì)算值D′的計(jì)算公式為

由式（1）和式（2）可計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)處道砟層、仰拱（完整段包括填充層）、破損填充層的厚度計(jì)算值，分別見表1—表3。其中v為電磁波濃度。

表1 道砟層厚度檢測(cè)結(jié)果

表2 仰拱(完整段含填充層)厚度檢測(cè)結(jié)果

表3 破損填充層厚度檢測(cè)結(jié)果

由表1可知：①隧底完整段（ZC1—ZC8）道砟層中電磁波波速v為0.141～0.180 m/ns，其平均波速vˉ為0.157 m/ns；εr為2.8～4.5，其平均相對(duì)介電常數(shù)εˉr為3.7。②隧 底 破 損 段（ZC9—ZC16）道 砟 層 中v為0.191～0.248 m/ns，其vˉ為0.223 m/ns；εr為1.5～2.5，εˉr為1.8?？梢?，電磁波在道砟層中波速達(dá)到空氣中波速（0.3 m/ns）的1/2～2/3，傳播速度較快，這與道砟層較松散、空隙大的實(shí)際情況相吻合。③隧底破損段道砟層εr普遍小于隧底完整段，說明破損段道砟層較松散。④道砟層厚度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值在-6.8～8.5 cm，最大相對(duì)誤差15.8%。

由表2可知：①隧底完整段仰拱中v為0.121～0.137 m/ns，vˉ為0.157 m/ns；εr為4.8～6.1，εˉr為5.4。隧 底 破 損 段 仰 拱 中v為0.122～0.163 m/ns，vˉ為0.141 m/ns；εr為3.4～6.0，εˉr為4.6。可見，電磁波在隧底完整段和破碎段仰拱中的波速差別不大，εr接近。②仰拱厚度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值在-4.4～4.4 cm，最大相對(duì)誤差14.3%。

由表3可知：①隧底破損填充層中v為0.079～0.105 m/ns，vˉ為0.085 m/ns；εr為8.2～14.3，εˉr為8.6?？梢?，電磁波在破損填充層中的波速比完整填充層小，εr比完整填充層大。②破損填充層厚度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值在-0.6～7.0 cm，最大相對(duì)誤差29.4%，與完整填充層相比其誤差偏大。

綜合表1—表3的分析可知，對(duì)于介質(zhì)層厚度的檢測(cè)結(jié)果，完整填充層的檢測(cè)精度較高，而松散的道砟層和破損填充層檢測(cè)精度較低。

同理，采用上述方法可得到測(cè)線2各測(cè)點(diǎn)處各介質(zhì)層厚度實(shí)測(cè)值，電磁波在介質(zhì)層中的雙程旅時(shí)、波速、相對(duì)介電常數(shù)值以及按各層相對(duì)介電常數(shù)值平均值計(jì)算出的介質(zhì)層厚度計(jì)算值。測(cè)線2計(jì)算結(jié)果與測(cè)線1一致，在此不再贅述。

4 結(jié)論

1）在地質(zhì)雷達(dá)圖上，隧底的不同介質(zhì)層界面較清晰，可定性判斷出各界面，并且破損填充層有明顯的異常顯示。

2）通過反演計(jì)算介質(zhì)層多個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)，以平均相對(duì)介電常數(shù)為計(jì)算基礎(chǔ)，可較為準(zhǔn)確地定量分析隧底道砟層、填充層、仰拱等介質(zhì)層的厚度。

3）檢測(cè)精度隨介質(zhì)層的完整程度而存在差異。完整介質(zhì)層檢測(cè)精度較高，破損介質(zhì)層檢測(cè)精度則較低。