利用地質(zhì)雷達(dá)無損測(cè)量隧道襯砌質(zhì)量與缺陷

盛海洋,王 超,黃繼輝,徐行軍

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州 350007）

0 引言

公路隧洞由于各種因素在運(yùn)營很久后，會(huì)不同程度地產(chǎn)生表面裂縫、滲漏水等病害，這類病害多是由于隧道潛在的施工技術(shù)問題所造成的，如模筑襯砌厚度不夠、模筑襯砌后出現(xiàn)空隙或回填不嚴(yán)密等。而以往的施工質(zhì)量檢測(cè)通常采用鉆孔取芯或開挖取樣等破壞性方法，這對(duì)防水條件十分嚴(yán)密的隧洞施工十分不利。由于隧洞屬于隱蔽性工程施工，所以必須用合理、快捷、無損的先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備加以檢測(cè)。目前地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)技術(shù)具有使用成本低、操作方便、檢測(cè)精度高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，已成為公路隧道質(zhì)量和病害檢測(cè)的首選。

該文根據(jù)福建省某公路隧道存在的病害問題開展了無損檢測(cè)，對(duì)隧道的模筑襯砌結(jié)構(gòu)缺陷病害進(jìn)行了原因剖析，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行解譯判識(shí)與總結(jié)分析，為國內(nèi)隧道模筑襯砌質(zhì)量檢驗(yàn)工作提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 檢測(cè)依據(jù)與原理及襯砌缺陷

1.1 檢測(cè)依據(jù)

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)為公路工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，第一卷為土建工程標(biāo)準(zhǔn)（JTG F80/1—2017）[1]；公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程（JTG H30—2015）[2]；福建省公路隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[3]；混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50204—2015）[4]等主要技術(shù)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)文件、檢測(cè)合同，以及相關(guān)研究論文、文件材料等。

1.2 檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)基本原理就是通過輻射天線向地面發(fā)出的高頻電磁波，當(dāng)電磁波在地面穿行時(shí)，一旦碰到兩種截然不同地層分界，就會(huì)產(chǎn)生不一樣的地球物理現(xiàn)象。電磁波在通過不同土壤或地面電性邊界時(shí)，部分電磁波在折射效應(yīng)下會(huì)不斷地向另一個(gè)邊界進(jìn)行傳播，而另一部分電磁波則會(huì)被邊界反射回到地表，而反射后回到地表上的電磁波也可以被地面天線所接收，并記錄在地質(zhì)雷達(dá)的主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。另外，電磁波的傳遞會(huì)經(jīng)過多次反射和折射，但唯有當(dāng)電磁波的能量全部被地層邊界所吸引，這種電磁波在邊界穿梭工作過程中發(fā)生的折射和反射現(xiàn)象才會(huì)徹底消失。一般來說，由于電磁波的傳播路徑、電場(chǎng)強(qiáng)度、波速，以及電性和折射電磁波的能力在不同地層中往往會(huì)表現(xiàn)出不同測(cè)量參數(shù)差異，電磁波在不同地層條件下穿越進(jìn)程中，回收的電磁波頻段有所不同，因此工作人員可以對(duì)發(fā)射和接收的電磁波進(jìn)行比較，并運(yùn)用時(shí)差原理來分析電磁波參數(shù)，這樣就能精確地判斷地表以下的地層情況。同時(shí)，工程技術(shù)人員可以將傳送回來的電磁波參數(shù)加以處理與運(yùn)算，并按照檢測(cè)數(shù)值繪成圖像，施工和檢測(cè)人員可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地層情況與有關(guān)資料，來具體確定地層內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)隧道內(nèi)混凝土襯砌質(zhì)量做出分析評(píng)估。

1.3 襯砌缺陷

在剖面圖上所顯示出來的各種測(cè)線信息可以表示各種的地下施工情況。用于隧道襯砌檢查一般分為以下幾個(gè)檢測(cè)信號(hào)：反射信息較弱且持續(xù)的為密實(shí)部位；反射信號(hào)中體現(xiàn)為強(qiáng)反射且雜亂的區(qū)域狀況為欠實(shí)情況；反射信號(hào)中體現(xiàn)為強(qiáng)反射且呈長條帶的三角狀況則為空洞或彎沉情況；反射信號(hào)中持續(xù)且有序的雙月牙形強(qiáng)反射狀況為鋼筋網(wǎng)，而單月牙反射狀況則為鋼筋拱架。

（1）脫空。脫空現(xiàn)象是指由模筑襯砌與圍巖或初支結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系不牢固時(shí)所造成的裂縫、空隙等，其造成的因素一般有隧洞施工時(shí)模筑襯砌墻后回填混凝土不嚴(yán)密時(shí)所形成的空隙。另外，在隧洞運(yùn)營中因?yàn)橐r砌老化等因素，使模筑襯砌層與初支及巷道圍巖之間出現(xiàn)剝離而生成空洞和縫隙。

脫空現(xiàn)象在雷達(dá)技術(shù)圖上所顯示的模筑襯砌界面反射信息很強(qiáng)，往往呈現(xiàn)帶狀長條型或三角狀劃分，且三振相強(qiáng)烈，但往往在其下方仍有較強(qiáng)的反射界面信息，因此二組信號(hào)位移時(shí)程相差很大。

（2）欠實(shí)。模筑襯砌欠實(shí)是指建筑襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土回填不嚴(yán)密所形成的較小的裂縫、小空隙等。其形成的因素主要有隧道開挖后施工接縫不嚴(yán)密、有裂縫等。另外，在隧洞施工過程中因水的浸蝕、地質(zhì)應(yīng)力影響和水泥老化等因素作用，會(huì)引起隧洞模筑襯砌斷裂、變形等。模筑襯砌欠實(shí)部位的雷達(dá)界面對(duì)反射信號(hào)呈強(qiáng)反射，且通常并不持續(xù)，表現(xiàn)出錯(cuò)斷和雜亂等現(xiàn)象。

2 襯砌缺陷形成機(jī)制分析

探討隧洞缺陷病害的形成原因以及不同缺陷在地質(zhì)雷達(dá)影像上的形態(tài)特征，對(duì)于對(duì)隧洞襯砌裂紋的鑒定以及針對(duì)隧洞缺陷病害防治有一定的實(shí)踐意義。

2.1 襯砌空洞

襯砌空洞廣泛出現(xiàn)在隧道的各個(gè)部位?？斩床坏珪?huì)引起襯砌的混凝土裂縫、損傷，甚至還會(huì)使圍巖變形增長進(jìn)而造成巷道圍巖的失穩(wěn)。根據(jù)空洞出現(xiàn)情況和原因的不同，大致上可以分成下列幾類。

（1）防水板和初支之間的空隙。這種空洞一般是由于隧道初期支護(hù)基面材料不均勻，又未及時(shí)用水泥補(bǔ)平或建筑防水板鋪掛得過緊密，造成二襯混凝土不能在建筑防水板和初支邊間的縫隙填充密實(shí)所產(chǎn)生的。此類空洞多出現(xiàn)于邊墻及拱頂。

（2）砌筑防水頂板和模筑襯砌間的空隙。在建筑施工襯砌混凝土?xí)r，宜從二端拱腳自下而上分層均勻地開始砌筑；混凝土澆筑至拱頂處時(shí)，利用運(yùn)輸泵壓克服混凝土的自重和運(yùn)泵阻力，不斷地頂升直至拱頂處灌入砂漿中?；炷磷陨硪簿哂幸欢ǔ潭壬系摹案煽s”現(xiàn)狀，受水泥流動(dòng)性影響，由“干縮”所產(chǎn)生的空隙多聚集在拱頂部位，拱腰次之。因此在澆筑過程中多會(huì)在拱頂預(yù)留相當(dāng)數(shù)量的注漿材料孔隙。

（3）混凝土內(nèi)部不密實(shí)。當(dāng)模具內(nèi)混凝土澆筑密實(shí)不完全時(shí)，在混凝土內(nèi)也會(huì)發(fā)生程度不一的不密實(shí)現(xiàn)象，在襯砌為鋼筋混凝土?xí)r，這種缺陷更容易出現(xiàn)。

2.2 襯砌厚度不足

襯砌厚度缺陷也是隧洞開挖過程的另一個(gè)工程通病，主要由隧洞欠開挖和襯砌混凝土之間產(chǎn)生空隙而造成。模筑襯砌厚度若不夠，則很容易造成襯砌表層出現(xiàn)裂紋，甚至導(dǎo)致水泥掉塊，從而降低了行車安全性。重則降低襯砌受力，影響結(jié)構(gòu)安全。

2.3 襯砌滲漏水

模筑襯砌的滲漏水多發(fā)生于裂隙和地下水發(fā)育區(qū)域，在隧洞開挖過程中也會(huì)出現(xiàn)。隧道內(nèi)滲漏水不但會(huì)造成模筑襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬構(gòu)件腐蝕，同時(shí)還會(huì)腐蝕模筑襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土，從而導(dǎo)致模筑襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，在嚴(yán)寒地方更容易產(chǎn)生建筑襯砌的凍脹裂損。而造成模筑襯砌內(nèi)滲漏水的因素，除去圍巖內(nèi)部節(jié)理裂縫發(fā)育、地下水豐富等地質(zhì)因素之外，施工過程中工藝、管理也是襯砌滲水的因素。襯砌滲漏水原因有：

（1）澆筑時(shí)振搗不實(shí)，在水壓力影響下混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

（2）由于初期支護(hù)基礎(chǔ)處理不當(dāng)以致防水板被錨桿頭等尖硬物刺破。

（3）防水工程模板及止水帶安裝不標(biāo)準(zhǔn)。（4）預(yù)埋排水體嚴(yán)重阻塞或循環(huán)不暢通。

當(dāng)隧道內(nèi)滲出水較嚴(yán)重時(shí)，襯砌式表面上會(huì)發(fā)生面狀滲出、滴漏或成線狀滲漏等，甚至于還會(huì)在薄弱拱頂部產(chǎn)生“水簾”滲水現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貙影l(fā)生襯砌滲漏水時(shí)，雷達(dá)剖面上通常產(chǎn)生水平的強(qiáng)反射信號(hào)，展布區(qū)域很大，且多次波強(qiáng)烈。

3 檢測(cè)內(nèi)容與測(cè)線布置

檢測(cè)前沿隧道軸線用噴漆每隔10 m標(biāo)好里程樁編號(hào)，以便在雷達(dá)天線使用時(shí)及時(shí)、正確地加以標(biāo)注。隧道的襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，沿雙向行車道縱向布置了五條檢測(cè)線，即在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻處布置檢測(cè)線。

依據(jù)檢測(cè)內(nèi)容包括油坊隧道襯砌缺陷分布情況、襯砌密實(shí)性情況等，采用500 MHz天線、1 GHz天線進(jìn)行測(cè)量。

4 探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

地質(zhì)雷達(dá)要求目標(biāo)載體與周圍材料之間在介電常數(shù)要有明顯的差異。地質(zhì)雷達(dá)不同頻率的天線，其探測(cè)深度不同，頻率越低，檢測(cè)深度越大，但分辨率會(huì)下降；頻率越高，檢測(cè)深度越淺，而分辨率會(huì)增加。故在隧道襯砌檢測(cè)時(shí)，必須選用與檢測(cè)深度要求有關(guān)的天線，頻率范圍通常為400 MHz~1 GHz之間。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度與深度的要求，采用美產(chǎn)SURVEY地質(zhì)雷達(dá)，天線選用500 MHz與1 GHz的屏蔽天線進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。主要檢測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)有：

500 MHz天線的參數(shù)設(shè)置：采樣頻段：7 137 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)：426點(diǎn)，窗口時(shí)間：60 ns。觸發(fā)方法：采用測(cè)量輪，距離的觸發(fā)檢測(cè)方法，測(cè)量精度與深度均能達(dá)到襯砌厚度要求。表1為部分天線在巖體中的理論測(cè)量深度。

表1 部分天線在巖體中的理論探測(cè)深度

天線500 MHz，材料狀態(tài)與深度比例，材料狀態(tài)：干燥（1.00）。深度比例：深度3.1 m、時(shí)間51 ns。

天線500 MHz，觸發(fā)模式，軸編碼器軸間距2.5 mm，最大距離1.13 km。

1 GHz天線采集參數(shù)設(shè)置：采集頻段：10 350 MHz；采集點(diǎn)數(shù)：444點(diǎn)；窗口時(shí)間：42 ns。觸發(fā)方法：采用測(cè)量輪，按距離觸發(fā)。

5 雷達(dá)剖面圖像及分析

5.1 500 MHz天線隧道右邊墻雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道右邊墻雷達(dá)圖像分析見圖1。測(cè)線位置K0+704~705脫空，深度約0.3 m。測(cè)線位置K0+762~763不密實(shí)，深度約0.45 m。

圖1 K0+704-705脫空

5.2 500 MHz天線隧道右拱腰雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道右拱腰雷達(dá)圖像分析見圖2。圖2測(cè)線位置K0+549處小孔洞，深度0.45 m（鉆孔取樣處）。測(cè)線位置K0+666.4~670.6斷續(xù)不密實(shí)，深度0.3~0.45 m。

5.3 500 MHz天線隧道拱頂雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道拱頂雷達(dá)圖像分析見圖3。圖3的測(cè)線位置為K0+712~715.4，脫空時(shí)不密實(shí)，深度約0.35 m。測(cè)線位置在K0+719.4~721.4之間，不密實(shí)，深度0.35 m。

圖3 K0+712-715.4脫空不密實(shí)

5.4 500 MHz天線隧道左拱腰雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道左拱腰雷達(dá)圖像分析見圖4。圖4測(cè)線位置K0+558~567部分脫空不密實(shí)，深度約0.45~0.6 m。

圖4 K0+558-567部分脫空不密實(shí)

5.5 500 MHz天線隧道左邊墻雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道左邊墻雷達(dá)圖像分析見圖5。圖5 K0+648.4~649.2 不密實(shí)，深度0.4 m。測(cè)線位置K0+760.6~761.8 m，不密實(shí)，深度0.5 m。測(cè)線位置K0+782.5~783.5 m，不密實(shí)，深度0.5 m，附近K0+791鉆孔取樣處，邊墻有較多氣孔。測(cè)線位置K0+791.3 小空洞，深度0.3 m。

圖2 K0+549小孔洞

圖5 K0+648.4-649.2不密實(shí)

5.6 檢測(cè)結(jié)果分析

運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)油坊嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)和模筑襯砌的背后缺陷進(jìn)行檢測(cè)和圖像解譯，發(fā)現(xiàn)部分地段隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)背后出現(xiàn)不密實(shí)、脫空、空洞等缺陷，與后期采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯驗(yàn)證一致，并達(dá)到了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)和精度要求。

6 結(jié)語

（1）地質(zhì)雷達(dá)科技成為一門無損的測(cè)量技術(shù)手段，具有成本低、操作方便、檢測(cè)精度高、對(duì)數(shù)據(jù)收集和處理集科學(xué)于一身、對(duì)目標(biāo)體和異常圖像清晰可見且容易辨認(rèn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于公路隧道檢測(cè)中。就隧洞測(cè)量過程來說，大多數(shù)技術(shù)人員都會(huì)首選地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，利用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測(cè)設(shè)備，不但可以增強(qiáng)隧道施工測(cè)量的精確度和一致性，同時(shí)可以大大提高測(cè)量的速度。

（2）當(dāng)作為在隧道測(cè)量工程技術(shù)中使用最為普遍的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，運(yùn)用于隧道的施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)中時(shí)，能在維持隧道結(jié)構(gòu)不變的前提下完成檢測(cè)工作。該文主要從地質(zhì)雷達(dá)基本原理出發(fā)，系統(tǒng)說明了在隧洞施工質(zhì)量檢測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)隧道襯砌病害缺陷的判識(shí)有一定的指導(dǎo)和幫助。

（3）運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)福建某公路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和圖像解譯，取得了良好的檢測(cè)解譯效果。除部分地段的隧道表層出現(xiàn)裂紋外，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分地段隧道襯砌背后出現(xiàn)了澆注混凝土不密實(shí)、脫空、空洞等缺陷，通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯驗(yàn)證和對(duì)比，其無損檢測(cè)符合地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)和精度要求。