地質(zhì)雷達(dá)在隧道二次襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

饒 健，李 劍，洪俊勇

（浙江交工交通科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311100）

我國客運(yùn)交通行業(yè)的迅速發(fā)展，公路、鐵路隧道建設(shè)數(shù)量增多，但隧道二次襯砌質(zhì)量問題也隨之而來。為實(shí)現(xiàn)對(duì)二襯質(zhì)量的全方位探查與檢測(cè)，預(yù)防、控制質(zhì)量缺陷，規(guī)避病害對(duì)隧道使用安全的威脅，需采取可靠的技術(shù)手段，著手于二襯質(zhì)量的檢測(cè)工作。而地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出無損、快速、連續(xù)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并將探測(cè)結(jié)果以實(shí)時(shí)成像的方式進(jìn)行顯示，增強(qiáng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的直觀性，現(xiàn)如今，被廣泛應(yīng)用于隧道二襯質(zhì)量檢測(cè)工程中。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)具備連續(xù)、高效、非接觸檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，通過釋放電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)二襯整體情況數(shù)據(jù)信息的采集，并以圖像的形式加以反饋，圖像分辨率高，為作業(yè)人員二襯內(nèi)部整體狀態(tài)的把控提供可視化數(shù)據(jù)支持。電磁波傳播過程中，會(huì)受介質(zhì)幾何形態(tài)與電性質(zhì)的影響，使波形、傳播路徑、地磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變。這就需要技術(shù)人員采集、匯總、分析接收到的各類檢測(cè)信息，包括波形、幅度、發(fā)送與回傳時(shí)間等，以此為依據(jù)，對(duì)二次襯砌中介質(zhì)的分布情況進(jìn)行推斷。

地質(zhì)雷達(dá)構(gòu)成主要有兩部分，即電磁波接收與發(fā)射。其中，發(fā)射模塊的組成包括向外輻射電磁波天線與能夠產(chǎn)生高頻沖波的發(fā)射機(jī)，按照60°～90°波束角將天線電磁波發(fā)射至二次襯砌中，當(dāng)電磁波傳播期間存在電性分界面，會(huì)發(fā)生反射。

由于地質(zhì)雷達(dá)規(guī)格不同，使得電磁波傳播速度與波長(zhǎng)也不同，但同一種探測(cè)雷達(dá)的收發(fā)距一致且無法改變。如果探測(cè)過程中，始終在相同介質(zhì)中傳播，電磁波的波速也不會(huì)發(fā)生變化。對(duì)此，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，只需準(zhǔn)確記錄電磁波發(fā)射與接收間隔時(shí)長(zhǎng)，便可推算出二襯深度。同時(shí)，當(dāng)接收與發(fā)射天線在物體表面逐點(diǎn)同步移動(dòng)時(shí)，能夠?qū)⒍r內(nèi)部介質(zhì)剖面圖直觀地呈現(xiàn)于地質(zhì)雷達(dá)顯示屏上。

2 隧道二襯質(zhì)量檢測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)的實(shí)際運(yùn)用

2.1 工程概況

某高速公路隧道工程某隧道右幅起始里程為YK5+210，終止里程為YK6+872，隧道右幅長(zhǎng)度約為1 662 m，為單向三車道隧道。隧道設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h，隧道斷面扁平，隧道凈寬14.75 m、凈高5.0 m。隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。初期支護(hù)以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土及鋼拱架組成聯(lián)合支護(hù)體系，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間設(shè)防水排水夾層。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

在對(duì)二襯質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，使用的地質(zhì)雷達(dá)型號(hào)為勞雷SIR-30e，搭配屏蔽天線，設(shè)備操作時(shí)，天線要緊貼襯砌表面，并順著測(cè)線移動(dòng)，在此期間，嚴(yán)禁出現(xiàn)停頓。

深入調(diào)查工程實(shí)際情況，依據(jù)二襯質(zhì)量要求，從多維度包括穩(wěn)定性、穿透深度、分辨率，對(duì)選用天線的型號(hào)進(jìn)行考慮，最終決定配置900 MHz屏蔽天線。此外，經(jīng)整合前期工程探測(cè)結(jié)果，了解目標(biāo)物規(guī)格后，再依據(jù)探測(cè)深度，將時(shí)窗深度設(shè)置為20 ns，同時(shí)，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為512個(gè)，采用時(shí)間測(cè)量方法進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。完成準(zhǔn)備工作后，需立即執(zhí)行測(cè)線布置工作，參照測(cè)試要求，以隧道縱向?yàn)榛鶞?zhǔn)，連續(xù)性布置5條雷達(dá)測(cè)線，布設(shè)位置為左右邊墻、左右拱腰、拱頂。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)具體流程如下：首先，作業(yè)執(zhí)行前，需按照每10 m的標(biāo)準(zhǔn)沿隧道邊墻做標(biāo)記，同時(shí)，還應(yīng)以50 m為基準(zhǔn)布設(shè)清晰標(biāo)識(shí)，組織施工人員全方位清掃隧道，并正確安置工作臺(tái)架，如襯砌臺(tái)車等，準(zhǔn)備工作的有序落實(shí)可增強(qiáng)點(diǎn)位布置準(zhǔn)確性。其次，波速標(biāo)定。介質(zhì)的介電常數(shù)會(huì)影響電磁波傳播速度，對(duì)此，需保證介電常數(shù)選擇的合理性，確保目標(biāo)體深度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。二襯檢測(cè)期間，波速標(biāo)定的位置為隧道大里程洞口電纜槽厚度可測(cè)區(qū)域，最終得到的介電常數(shù)為7.87，波速數(shù)據(jù)為10.69 cm/ns。最后，檢測(cè)過程中，工作人員需嚴(yán)格按照規(guī)范操控設(shè)備，并做好記錄，包括標(biāo)記間隔、里程樁號(hào)、測(cè)線位置等。為保證檢測(cè)作業(yè)秩序進(jìn)行，還需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)，合理、明確分工，如車輛調(diào)度等輔助性工作以及天線數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵性作業(yè)。

2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 分析流程

匯總由地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，安排技術(shù)人員預(yù)處理數(shù)據(jù)文件，通過運(yùn)行配套軟件Radan7，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的解釋與翻譯。數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)先明確時(shí)間零點(diǎn)，為保證數(shù)據(jù)直觀，還需去除多余背景圖像，緊接著執(zhí)行帶通濾波作業(yè)，偏移歸位后開展2D交互式解釋工作。

傳播介質(zhì)的變化，會(huì)導(dǎo)致電磁波非正常反射，同時(shí)，也會(huì)明顯改變電磁波頻譜特征、振幅等數(shù)據(jù)。各類變化的存在將直觀地呈現(xiàn)于電磁波連續(xù)測(cè)線構(gòu)成的灰度圖中。細(xì)致、全面分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，該工程二襯質(zhì)量問題部位共有397處，其中，脫空146處、厚度不足173處、密度度差78處。

2.3.2 質(zhì)量缺陷

結(jié)合檢測(cè)到的各類質(zhì)量性問題，對(duì)各缺陷進(jìn)行判釋，要點(diǎn)如下：①空洞與脫空。地質(zhì)雷達(dá)圖像顯示檢測(cè)到的空洞為孤立體信號(hào)，襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，且在襯砌的下方存在強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)有較大時(shí)差。而地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)出的脫空問題為多次反射，電磁波同相軸呈弧形，相位與相鄰道未搭接在一起，振幅增強(qiáng)現(xiàn)象顯著。②密實(shí)度差。地質(zhì)雷達(dá)圖像顯示，二襯凌亂，且非連續(xù)性、強(qiáng)反射能量團(tuán)塊狀異常，反饋回的電磁波波形也呈現(xiàn)出雜亂特征，同相軸錯(cuò)斷。③厚度不足。在判斷二襯厚度是否滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主要依據(jù)二襯和初支噴射混凝土交界面進(jìn)行確定。通常來說，二襯混凝土與噴射混凝土在電性參數(shù)方面的差值較小，若不能保證二者接觸良好，很難獲得明顯反射波，或只可觀察到微弱反射波。對(duì)此，判斷交界面時(shí)，所選用的參照物應(yīng)為噴射混凝土中格柵鋼拱架、初支鋼架上表面或二襯混凝土第二列鋼筋網(wǎng)下表面。在此期間，若同時(shí)存在二襯混凝土脫空問題，也可以將空氣層上表面作為參照物進(jìn)行判斷。

3 二次襯砌質(zhì)量問題產(chǎn)生原因及整治

3.1 二次襯砌脫空問題

3.1.1 脫空原因

二襯脫空現(xiàn)象產(chǎn)生原因主要表現(xiàn)在三方面：其一，初支噴射混凝土施工質(zhì)量未達(dá)標(biāo)。由于初支光爆效果較差，且開挖面不具備良好平整性，提高超挖問題發(fā)生概率，且在混凝土噴射過程中，常出現(xiàn)超挖使用回填材料不當(dāng)、噴射厚度不足等問題，無法保證圍巖表面坑洞的完全填充。此外格柵拱架、初支鋼架與后方接觸物未密實(shí)回填，導(dǎo)致初期支護(hù)與二襯密貼程度不足，從而引發(fā)脫空問題。其二，防水板鋪設(shè)質(zhì)量差。若不能有效保證初期支護(hù)表面平整性，極有可能使防水板過緊鋪掛，降低其與初支面的密貼程度。當(dāng)開展二襯混凝土澆筑作業(yè)時(shí)，受到防水板阻隔無法將混凝土填充至初支表面坑洞內(nèi)，形成二襯背后脫空。其三，未嚴(yán)格按照規(guī)范控制二襯混凝土澆筑工藝。若混凝土配比不科學(xué)或攪拌不充分，會(huì)增大混凝土收縮風(fēng)險(xiǎn)；襯砌臺(tái)車剛度不夠、支撐不牢、脫模作業(yè)過早執(zhí)行等，會(huì)引發(fā)二襯混凝土明顯下沉；混凝土不具備良好流動(dòng)性、泵送角度不合理、泵送混凝土壓力不足等注漿工藝質(zhì)量問題的存在，極易造成二襯脫空現(xiàn)象。

3.1.2 整治措施

制定二次襯砌背后脫空整治措施時(shí)，工作人員應(yīng)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)接收到的檢測(cè)結(jié)果對(duì)二襯內(nèi)部實(shí)際情況進(jìn)行判斷。著重關(guān)注兩項(xiàng)內(nèi)容：脫空問題具體位置。通常有兩種情況即位于初支與防水板之間、位于二襯與防水板之間。此外，考慮二襯厚度問題。若脫空同時(shí)伴隨襯砌厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的50%，則應(yīng)將其劃入到二襯厚度不足問題中進(jìn)行處理，并按照相應(yīng)的處理原則與方案執(zhí)行，確保施工質(zhì)量。脫空整治要點(diǎn)如下：

其一，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)脫空實(shí)際情況進(jìn)行探測(cè)，還需搭配探測(cè)儀器對(duì)脫空區(qū)域面積進(jìn)行物探與鉆孔驗(yàn)證，將鉆孔驗(yàn)證數(shù)據(jù)作為依據(jù)，結(jié)合電磁波反饋回的圖像，確定脫空具體位置。

其二，襯砌鉆孔、安裝孔口管。了解到脫空位置以及面積后，需在第一時(shí)間組織專業(yè)人員對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行鉆孔，注漿孔直徑為5 cm，交錯(cuò)排列，孔道設(shè)計(jì)間距為1 m。結(jié)合孔洞布設(shè)情況，對(duì)鉆孔作業(yè)是否損壞防水板進(jìn)行判斷，同時(shí)，還需安裝直徑為3 cm的帶絲扣孔口管，并使用植筋膠將其固定于注漿孔管內(nèi)，以保證注漿作業(yè)有序進(jìn)行。

其三，注漿。施工前，需組織吸水試驗(yàn)，以此明確注漿參數(shù)。在配制漿液時(shí)，混合M30微膨脹水泥砂漿，其中灰泥比為1∶1～1∶2.5、水灰比為0.6∶1～1∶1。注漿時(shí)，沿著隧道縱向進(jìn)行，并遵循“由下坡至上坡”澆筑原則，通過逐漸加壓的方法，將最大壓力值調(diào)整至0.2 MPa，灌注速度應(yīng)維持在30L/min左右。在此期間，若孔洞體積小于1.5 m3，則應(yīng)灌注水泥砂漿，如果體積大于這一參數(shù)值，則應(yīng)澆筑C25細(xì)石砼。

其四，注漿孔處理。完成注漿作業(yè)后，應(yīng)先鑿10 cm×10 cm×8 cm楔形孔，還需做好孔洞以及孔口的清洗工作，再使用膨脹水泥砂漿封堵注漿孔，對(duì)封口處進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保封堵壓密性。同時(shí)，為保證封堵位置長(zhǎng)時(shí)間保持良好狀態(tài)，需混合適量膠凝材料，如膨脹劑、水泥等，用量不少于350 kg/m3，而膨脹劑混合量應(yīng)大于10%。

3.2 二次襯砌厚度不足

3.2.1 厚度不足原因

導(dǎo)致二襯厚度不足的原因通常有五點(diǎn)：①未深度剖析隧道內(nèi)部整體情況，便組織作業(yè)人員執(zhí)行測(cè)量放線工作，缺乏科學(xué)性，最終影響放線精確度。若以這一標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)開展爆破工作，則無法達(dá)到理想中爆破效果，甚至?xí)茐乃淼蓝我r砌。而塌落的圍巖將阻礙二襯質(zhì)量檢測(cè)工作的執(zhí)行；②未預(yù)留足夠的變形量，或圍巖變形量過大；③初支噴射混凝土部分區(qū)域的噴射厚度遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)厚度，而在組織二襯施工活動(dòng)前，沒有對(duì)混凝土過厚部位進(jìn)行處理，影響該位置的二襯施工效果，導(dǎo)致厚度不足；④如果二襯背部存在脫空問題，會(huì)提高二襯厚度不足概率；⑤安排作業(yè)人員處理塌方問題時(shí)，沒有針對(duì)性地處理一些突出巖石，同時(shí)也忽視對(duì)初支拱架的處理，引發(fā)二襯厚度不足問題。

3.2.2 厚度不足整治

針對(duì)二襯厚度不足問題設(shè)計(jì)整治方案時(shí)，要求工作人員能夠準(zhǔn)確區(qū)分厚度不足成因，通過對(duì)上述問題產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，可將其歸類為兩種，分別為由脫空問題造成的厚度不足、圍巖開挖不科學(xué)或不到位導(dǎo)致二襯厚度不足。對(duì)此，在制定整治措施時(shí)，應(yīng)站在兩個(gè)角度加以考量，并嚴(yán)格遵循五項(xiàng)基本原則：

其一，若二襯厚度超過最初設(shè)計(jì)時(shí)厚度的90%，但襯砌表面沒有裂縫或損壞現(xiàn)象，應(yīng)堅(jiān)持跟蹤監(jiān)測(cè)、觀察處理原則。其二，二襯厚度在設(shè)計(jì)厚度80%～90%范圍內(nèi)，且缺陷部位布設(shè)的測(cè)線長(zhǎng)度不大于2 m，襯砌表面完好，也可采取全方位、全過程監(jiān)測(cè)手段。在此期間，若使用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)到拱部140°區(qū)間內(nèi)有3條以上的測(cè)線二襯厚度均在這一范圍，則需對(duì)該部位的混凝土進(jìn)行處理，先去除二襯舊混凝土，再將鋼筋放置到處理部位，重新組織混凝土澆筑施工，直至該區(qū)域二襯厚度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；但若檢測(cè)到二次襯砌有缺陷，且該部位測(cè)線長(zhǎng)度超過2 m，也應(yīng)采取相同措施加以改善。其三，二襯厚度低于二襯厚度80%，在對(duì)二次襯砌表面進(jìn)行檢查時(shí)，有較為明顯裂縫或損壞，則需按照鑿除、植筋、重筑的流程處理缺陷位置混凝土。其四，若待處理二襯邊緣部位與隧道環(huán)向施工縫彼此間的距離未超過1 m，需對(duì)該范圍內(nèi)的二襯混凝土做全部鑿除處理，在此期間，應(yīng)保證拱部襯砌處理寬度始終大于0.5 m。

針對(duì)素混凝土拱部140°范圍內(nèi)的二襯進(jìn)行拆換時(shí)，對(duì)照的處理流程如下：首先，借助地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)脫空部位的鉆孔情況，整合、分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，以此確定二襯厚度不足及待處理區(qū)。其次，為保證拆換工作秩序、安全進(jìn)行，需做臨時(shí)支撐處理，選用的支撐結(jié)構(gòu)為拱墻鋼架，緊接著開展該區(qū)域內(nèi)拱部140°襯砌混凝土的拆除工作，并對(duì)存在的施工縫進(jìn)行科學(xué)、有效處理，安排專業(yè)人員檢查、驗(yàn)收拆除處理工程質(zhì)量。最后，驗(yàn)收達(dá)標(biāo)后，組織開展防水材料鋪設(shè)工作，植入鋼筋，每一項(xiàng)工作完成后均需進(jìn)行檢查與驗(yàn)收，為后續(xù)二襯混凝土澆筑以及回填灌漿作業(yè)順利執(zhí)行創(chuàng)設(shè)良好條件。

4 結(jié)束語

為保證隧道二襯質(zhì)量達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)隧道運(yùn)行安全性，就需科學(xué)應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，為二襯施工與質(zhì)量控制提供可視化數(shù)據(jù)支持。但為發(fā)揮出技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，獲得預(yù)期檢測(cè)效果，要求工作人員明確技術(shù)檢測(cè)原理，掌握技術(shù)操作流程，依托于實(shí)際工況，開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果分析工作，以此發(fā)現(xiàn)二襯質(zhì)量問題，并采取針對(duì)性處理措施，提高隧道工程建設(shè)水平。