地質(zhì)雷達(dá)在某公路運(yùn)營(yíng)隧道檢測(cè)中的應(yīng)用

肖 正

(中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

1 引 言

地質(zhì)雷達(dá)是一種新興的地球物理勘探方法，目前廣泛用于國(guó)內(nèi)隧道工程、基礎(chǔ)設(shè)施和路基檢測(cè)等方面。對(duì)于淺層地下結(jié)構(gòu)，埋藏物以及人造結(jié)構(gòu)的成像具有良好效果。地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)天線向地下發(fā)射一系列寬頻帶高頻電磁波，在介電常數(shù)差異較大的介質(zhì)界面發(fā)生反射、透射和折射。而反射回的電磁波被接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)記錄反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，處理后形成全斷面的掃描圖，該圖像可以判斷地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。劉安、張國(guó)權(quán)和康富中等人針對(duì)已經(jīng)存在問(wèn)題的隧道，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道進(jìn)行了檢測(cè)，在查明隧道襯砌缺陷等病害問(wèn)題方面進(jìn)行了成功應(yīng)用。陳文濤、景勝等基1于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)典型雷達(dá)圖像的解釋和判別進(jìn)行了分析研究。張家鳴基于現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)結(jié)果對(duì)于如何提高檢測(cè)效果等方面提出了部分建議。地質(zhì)雷達(dá)經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)一步提升它也將擴(kuò)展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 探測(cè)方法

2.1 工程概況

大廟峽隧道位于G106線(雙向四車道、一級(jí)公路)佛岡縣境內(nèi)，于1996年建成通車。隧道為南北向單洞雙線隧道，隧道正線365 m，輔線484 m。隧道埋深約70 m，路面凈寬8 m，高7.2 m。設(shè)計(jì)圍巖為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，模注襯砌C25混凝土，墻身厚度60 cm。由于隧道位于發(fā)育的節(jié)理、裂隙及斷層接觸帶中，地下水加劇了風(fēng)化作用，造成襯砌背后、隧道脫空。該隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，不僅隧道襯砌和路面存在不同程度的裂縫和破損，而且以滲漏水現(xiàn)象表現(xiàn)的最為嚴(yán)重。為避免隧道病害進(jìn)一步發(fā)育給行車安全帶來(lái)隱患，利用地質(zhì)雷達(dá)查明隧道襯砌背后缺陷的位置、深度和大小，為評(píng)估隧道的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性和隧道的病害治理及改造提升提供資料依據(jù)十分必要。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

(1)測(cè)線布置

隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，采用抽查方式進(jìn)行，一般常規(guī)檢測(cè)設(shè)置5條測(cè)線，分別布置在拱頂、左、右拱腰和左、右邊墻。依據(jù)檢測(cè)內(nèi)容，雙線隧道需沿軸向布設(shè)7條測(cè)線，增加了隧底的兩條測(cè)線，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)測(cè)線布置情況見(jiàn)測(cè)線布置示意圖。

測(cè)量前沿隧道軸線用噴漆每隔10 m標(biāo)好里程樁號(hào)，便于天線通過(guò)時(shí)及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行標(biāo)記。由于該公路隧道不屬于長(zhǎng)隧道，每條測(cè)線均進(jìn)行一次性連續(xù)掃描探測(cè)，拱腰和拱頂借助升降車進(jìn)行測(cè)量。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

(2)參數(shù)設(shè)定

地質(zhì)雷達(dá)要求目標(biāo)體和周圍介質(zhì)在介電常數(shù)上要有足夠的電性差異。地質(zhì)雷達(dá)不同頻率天線的測(cè)深能力不同，頻率越低，探測(cè)深度越大，但是分辨率會(huì)降低；頻率越高，能量衰減越快，探測(cè)深度越淺，分辨率會(huì)提高。故隧道襯砌檢測(cè)時(shí)需要選擇與探測(cè)深度要求相應(yīng)的高頻天線，頻率范圍一般為400～900 MHz。在隧道內(nèi)檢測(cè)，需采用屏蔽天線，其工作原理如圖所示。雷達(dá)根據(jù)測(cè)得的雷達(dá)波走時(shí)，求得反射物的深度和范圍。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

電磁波信號(hào)的穿透深度與巖土體的電導(dǎo)率有關(guān)，電導(dǎo)率越高則探測(cè)深度越淺。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)精度和深度，選用世界上先進(jìn)的瑞典MALA ProEx型探地雷達(dá)，天線選用500 MHz屏蔽天線。采樣頻率7 500 MHz，低截頻取155，高截頻取755，采集時(shí)窗50 ns。采用距離觸發(fā)探測(cè)方式，有效檢測(cè)深度為2 m，檢測(cè)精度和深度可滿足襯砌厚度要求。

表1 部分天線在巖體中的理論探測(cè)深度

當(dāng)有反射體存在時(shí)，雷達(dá)只記錄電磁波雙程走時(shí)。為了準(zhǔn)確了解反射體的埋深，還必須知道電磁波在該介質(zhì)中的傳播速度。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電磁波在混凝土中的傳播速度為0.10～0.11 m/ns，也可通過(guò)已知目標(biāo)物的深度用以下公式計(jì)算出準(zhǔn)確波速。

式中：V為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；H為已知目標(biāo)物的厚度；t為電磁波的雙城旅行時(shí)。

(3)數(shù)據(jù)后處理

地質(zhì)雷達(dá)圖像以電磁脈沖反射波的形式記錄各種信息，一般以灰度圖的形式作為地質(zhì)雷達(dá)的剖面圖。地質(zhì)雷達(dá)整個(gè)數(shù)據(jù)后處理過(guò)程包括兩部分，即數(shù)據(jù)處理和圖像的解釋判別。地下復(fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)發(fā)射波有濾波作用，地下介質(zhì)會(huì)對(duì)發(fā)射波產(chǎn)生不同程度的吸收。并且由于地下介質(zhì)一般具有非均勻性，導(dǎo)致接收天線接收到的反射波波幅減小，因而發(fā)射波和反射波存在較大的差異，如圖3所示。此外，環(huán)境中的各種噪音也會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生干擾，影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，一般對(duì)接收到的波形信號(hào)進(jìn)行合適的濾波處理，采用合適的圖像信噪比，便于后期對(duì)資料中的各種異?，F(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別和解釋。

圖3 發(fā)射波與反射波波形對(duì)比圖

數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容是濾波，對(duì)干擾信號(hào)的去除，從而在雷達(dá)剖面圖上突出各種有用信號(hào)，便于后期解釋探測(cè)結(jié)果。利用Reflexw軟件對(duì)實(shí)測(cè)的每一條剖面單獨(dú)進(jìn)行處理，主要步驟依次為：靜校正切除、DC去直流漂移、增益、水平信號(hào)去除、頻率域?yàn)V波、滑動(dòng)平均和距離歸一化等七個(gè)步驟。將灰度圖調(diào)節(jié)合適的對(duì)比度以便于分析，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面和深度剖面圖即可對(duì)隧道缺陷的位置進(jìn)行判斷。

3 雷達(dá)剖面圖分析

雷達(dá)剖面圖中所表現(xiàn)出的各種反射信號(hào)代表不同的地下條件。對(duì)于隧道襯砌檢測(cè)，主要包括幾種信號(hào)：反射信號(hào)弱且連續(xù)的為密實(shí)部位；反射信號(hào)表現(xiàn)為強(qiáng)反射且雜亂的區(qū)域?yàn)榍穼?shí)部位；反射信號(hào)表現(xiàn)為強(qiáng)反射且呈條帶狀或三角形狀態(tài)為脫空位置；反射信號(hào)為連續(xù)且規(guī)律的月牙形強(qiáng)反射為鋼筋網(wǎng)，而單月牙信號(hào)則為鋼拱架。

3.1 襯砌缺陷

(1)脫空

脫空現(xiàn)象是指由于襯砌和圍巖或初支之間結(jié)合不緊密而產(chǎn)生的縫隙、空洞，其產(chǎn)生的原因主要有隧道施工時(shí)襯砌墻后填充澆筑不密實(shí)而形成的空洞。此外在隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于襯砌老化等原因產(chǎn)生變形，使得襯砌和初支及圍巖間產(chǎn)生脫離而產(chǎn)生的空洞和孔隙。

對(duì)于這類埋深較淺的隧道，受自然條件因素影響較大，長(zhǎng)期的風(fēng)化作用容易導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生空洞和孔隙。而且地表水也對(duì)本隧道襯砌脫空造成了十分巨大的影響，水作用易使圍巖的風(fēng)化和侵蝕作用加強(qiáng)，圍巖風(fēng)化物極易被水?dāng)y帶走而形成空洞。同時(shí)水對(duì)襯砌的侵蝕作用易使襯砌老化，特別是襯砌中欠實(shí)的位置，這也是本隧道中大部分的欠實(shí)位置處又伴隨有不同程度脫空現(xiàn)象的原因。

脫空在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為強(qiáng)反射信號(hào)，一般呈帶狀長(zhǎng)條形或三角形分布，三振相明顯，通常在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大。

圖4(a)是由正線隧道測(cè)線C截取的一部分，在里程K2342+127～K2342+129范圍內(nèi)有一長(zhǎng)條狀反射異常，同時(shí)在里程K2342+130～K2342+131范圍內(nèi)反射信號(hào)紊亂，說(shuō)明該段拱頂為脫空和欠實(shí)共存病害。圖4(b)是輔線隧道測(cè)線D的一部分，在里程K2342+150～K2342+152范圍存在異常強(qiáng)反射，右拱腰襯砌在此處發(fā)育空洞，深度范圍為60～70cm，說(shuō)明此處為初支和圍巖之間產(chǎn)生的空洞。

圖4 隧道典型脫空(部分)

(2)欠實(shí)

襯砌欠實(shí)是指襯砌內(nèi)混凝土回填不密實(shí)而產(chǎn)生的小的縫隙、小空洞。其產(chǎn)生的原因主要有隧道襯砌施工時(shí)的不密實(shí)和裂縫，如施工縫不密實(shí)等。此外，隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受水的浸蝕、地質(zhì)應(yīng)力作用及混凝土老化等因素影響，而產(chǎn)生的隧道襯砌開(kāi)裂、變形或穿孔等現(xiàn)象。以上情況均可能引發(fā)隧道襯砌變形和滲漏水等病害。圖5為隧道局部雷達(dá)剖面圖，檢測(cè)結(jié)果表明這些位置為典型的欠實(shí)現(xiàn)象。

圖5 隧道典型欠實(shí)(部分)

欠實(shí)部位的雷達(dá)界面反射信號(hào)為強(qiáng)反射，但一般不連續(xù)，表現(xiàn)出錯(cuò)斷和雜亂等現(xiàn)象，一般區(qū)域化分布。圖5(a)是由測(cè)線F截取的一部分，整體上波形紊亂，表明正線右側(cè)仰拱在里程K2342+160～K2342+170內(nèi)襯砌存在大范圍欠實(shí)。圖5(b)是測(cè)線D的一部分，在里程K2341+872附近存在異常反射信號(hào)，說(shuō)明輔線右拱腰襯砌在此處發(fā)育欠實(shí)和空洞，深度范圍為30～50 cm。

地質(zhì)雷達(dá)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)。準(zhǔn)確識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的一些圖像特征是進(jìn)行雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容。基于設(shè)計(jì)、施工圖紙和雷達(dá)圖像的正演結(jié)果對(duì)圖像進(jìn)行解釋。從雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果分析，隧道襯砌存在大范圍的欠實(shí)和脫空。隧道主線以左、右兩側(cè)邊墻和右側(cè)仰拱情況較為嚴(yán)重，輔線以右拱腰和左、右仰拱較為嚴(yán)重。根據(jù)雷達(dá)剖面圖，共發(fā)現(xiàn)襯砌缺陷246處，其中欠實(shí)110處，脫空73處，其余為欠實(shí)和脫空共存缺陷。欠實(shí)量一般在20～40 cm之間，欠實(shí)位置一般在襯砌10～50 cm厚度范圍。脫空量一般在10～30 cm之間，脫空位置一般在襯砌20～50 cm厚度之間。

3.2 襯砌厚度

數(shù)據(jù)處理完畢通過(guò)拾取層操作，判定初支與圍巖之間的界限。依據(jù)上述雷達(dá)圖像得知所檢位置襯砌厚度大部分在45～60 cm之間，最大厚度為75 cm，最小厚度為32 cm。襯砌厚度較薄的位置發(fā)育空洞，但未發(fā)現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，襯砌厚度基本滿足要求。隧道襯砌整體完整性較好，未發(fā)現(xiàn)大的崩裂、坍塌和穿孔等現(xiàn)象，襯砌整體結(jié)構(gòu)尚屬完整。襯砌強(qiáng)度較好，未發(fā)現(xiàn)隧道襯砌存在結(jié)構(gòu)性的破壞情況，整體安全性較高。

4 缺陷治理

4.1 隧道滲漏水

對(duì)于隧道滲漏水，應(yīng)在全隧道邊墻腳每隔4～5 m以89 mm直徑鉆孔作為泄水孔，鉆孔內(nèi)安裝透水管，鉆孔深度至少應(yīng)打入圍巖2 m，并將軟管引至排水溝。對(duì)于水量大的部位泄水孔的間隔可適當(dāng)加密至2～3 m，對(duì)于襯砌裂縫滲漏水嚴(yán)重的位置應(yīng)在裂縫左、右兩側(cè)約20 cm處各打一泄水孔。對(duì)整治后仍有少量出水的部位，可采用封堵的方式，機(jī)械切槽后用遇水膨脹密封膠或防水涂料等進(jìn)行封堵。

4.2 襯砌與圍巖治理

對(duì)于襯砌內(nèi)部缺陷，應(yīng)在欠實(shí)位置壓注水泥漿，脫空位置壓注水泥砂漿進(jìn)行充填。由于大部分位置為欠實(shí)和脫空共存的缺陷，因而只注水泥砂漿，注漿時(shí)先注稀漿，后逐漸改為稠漿。

由于襯砌背后圍巖也有部分松動(dòng)和松散，注漿孔需要打入圍巖約50 cm后進(jìn)行注漿。注漿時(shí)先注下部注漿孔，后注上部注漿孔，以保證混凝土的完整性和密實(shí)性。此外，需從無(wú)水位置向有水位置注漿，從水少的部位向水多的部位注漿，便于水的匯集和引排。

5 結(jié) 論

(1)地質(zhì)雷達(dá)能廣泛應(yīng)用于各類隧道的襯砌質(zhì)量檢測(cè)，能有效查明襯砌厚度和缺陷等病害的發(fā)育情況和位置，具有無(wú)損、便捷、精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

(2)隧道脫空和欠實(shí)等病害受施工期間混凝土澆筑不密實(shí)的影響，同時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)的隧道受地質(zhì)和水的侵蝕作用易導(dǎo)致背后巖土體風(fēng)化流失產(chǎn)生空洞和裂縫。

(3)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌病害主要表現(xiàn)為嚴(yán)重的隧道滲漏水現(xiàn)象，在病害治理方面的主要措施為邊墻鉆孔引排水和缺陷部位注漿。