新疆達坂隧洞灌注及灌漿質量地質雷達測試技術探析

楊建明

(新疆伊犁河流域開發建設管理局 烏魯木齊 830000)

1 引言

隧洞灌注及灌漿質量常規的檢測是通過鉆孔中用聲波或超聲波以及鉆孔取芯測試的方法，該方法可靠，但使用該方法有一定的局限性，只能單點抽查，不能連續測量，對襯砌層具有一定的破壞性，其檢查頻度和數量受到嚴格限制，具有抽樣的隨機性，不能做全洞段連續檢測。

地質雷達技術能夠對隧道襯砌厚度及灌注情況進行檢測以定性評價隧道襯砌及灌注質量。其對襯砌厚度的檢測誤差一般不超5cm;對灌注情況的檢測，能觀察到灌注體的分布，能檢測出灌注體同圍巖的接觸情況，可檢測出灌注的密實情況及灌注體是否欠實、是否有空洞及空洞大小，空洞是否充水等情況;還可檢測出襯砌是否有裂縫、襯砌體中鋼筋及鋼筋的數量、密度。該技術是一種無損檢測技術，對施工基本沒有影響。可在隧道襯砌表面任何部位做連續檢測，檢測效率高，檢測結果以實時彩色深度剖面形式顯示，直觀、可靠度高。

采用地質雷達、聲波、超聲波以及適量鉆孔取樣相結合的方法，探測襯砌強度、襯砌厚度，探測襯砌與圍巖 (或一襯)之間的灌注情況，探測襯砌體、灌注體和圍巖的波速等，可以為評價施工質量、進行工程處理提供依據。

2 達坂隧洞工程概況及地質情況

新疆達坂隧洞全長30.69km，上游6.5km長洞段采用鉆爆法施工，下游24.19km長洞段采用全斷面雙護盾TBM自隧洞出口向上游掘進。TBM施工段設計開挖直徑為6.79m，預制鋼筋混凝土管片襯砌結構，管片寬1.6m，厚28cm，襯砌后內徑6.0m。

達坂隧洞松散破碎的Ⅳ類、Ⅴ類圍巖占93.32%，Ⅱ類、Ⅲ類圍巖占6.68%，掘進過程中經歷斷層破碎帶、富水洞段、高地應力洞段、泥質膨脹巖洞段等不良地質洞段。地層產狀變化頻繁，層間錯動現象普遍，節理裂隙發育，圍巖自穩能力差，圍巖縮徑，塌方現象嚴重。

3 達坂隧洞灌漿質量地質雷達探測機理

達坂隧洞此次試驗采用的地質雷達利用高頻電磁波 (主頻為數十兆赫至數百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由發射天線T發出，通過地面進入地下，經地下地層或目標體反射后返回地面，為接收天線R所接收 (見圖1)。

脈沖波行程需時:

式中 v——地下介質中的波速，m/ns;

t——測得的時間值，ns。

由上式求出反射體的深度，式中x值在剖面探測中是固定的;v值可以用寬角方式直接測量，也可以根據近似計算出。

雷達圖通常以脈沖反射波的形式記錄，圖2為波形記錄的示意圖，在圖2上對照一個簡單的地質模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面(GPR剖面)，經過資料的后處理就可得到地下不同介質的分布情況及介電常數變化面的位置等參數。

4 隧道襯砌和灌注質量地質雷達探測試驗可行性分析

4.1 達坂隧洞工程隱患目標體探測的理論分析

達坂隧洞灌注檢測主要回答以下幾個問題:①灌注是否填實到位;②是否有空洞或回填欠實;③鋼筋密度是否符合要求;④預制襯砌管片是否有裂縫等其他隱患等。以此對灌注質量進行評價，為補救處理提供依據。

檢測對象為四種介質:①洞壁圍巖——含礫土層;②襯砌管片;③灌注體——豆粒石及水泥(砂)漿;④可能形成的空洞和欠實松散區。

自然界中每一種物質的電磁特性都不一樣，即使同一種物質由于其含水程度、顆粒空隙度的不同其電磁反射特性也不同。表1是幾種物質的電磁特性參數表。

表1 幾種介質的電磁特性參數

隧洞襯砌管片、洞壁之間的灌注體分布狀況和欠實區、洞壁坍塌和空洞以及富水區的分布探測，是利用上述幾種介質 (材料)本身的介電常數不同，加上探測部位的空隙度變化，其含空氣或水程度不同，造成介質的電磁參數差異變大，能形成明顯的電磁界面。地質雷達使用的是高頻電磁波，其傳播速度主要由物質介電常數的大小來決定。電磁波遇到不同的波阻抗界面 (如隧道拱頂的脫空、不密實、離析等界面)將會產生反射和透射。在混凝土襯砌體與圍巖間、二次襯砌與一次襯砌間、襯砌體內部、灌注體及其與管片之間存在空洞、不密實、離析等情況時，由于介電差異，能產生明顯的電磁反射面，采用地質雷達能夠探測其位置分布和大小，所以選擇地質雷達探測技術作為隧道襯砌灌注質量的有效檢測方法之一是可行的。

4.2 達坂隧洞地質雷達探測工程隱患分辨率分析

分辨率是探測方法識別能力，通常被定義為區分工程隱患界面頂部和底部反射的能力。它主要依賴于:①發射脈沖的頻率和振幅;②圍巖的電性和電磁波穿透性;③地質的復雜化;④人文設施或其附近、地表物體的干擾;⑤目標的深度、形狀和大小;⑥目標物的介電常數。本次探測范圍是從管片向外1m左右，個別地段可能達到1.5m左右，必須選擇最佳的雷達天線探測頻率，表2是雷達不同天線探測的水平分辨率表。

表2 雷達不同頻率、不同介質水平分辨率單位:m

從表2中可知，采用1000MHz在混凝土中可以分辨水平范圍40cm左右的隱患異常。

表3是目前已有的雷達天線在不同介質中的垂向分辨率，在不同介質中采用不同的頻率從理論上計算，可以探測選擇深度方向的最大分辨率。

表3 不同頻率、介質中地質雷達的垂向分辨率 單位:m

從表3可以看出，在混凝土介質中采用1GHz的天線，可以分辨垂向3cm的異常。

根據上述分析，在達坂隧洞內檢測采用1GHz的天線，可以探測混凝土內厚度3cm，寬度40cm的隱患異常。

5 探測成果分析

由于此次達坂隧洞灌注及灌漿質量檢測工作共完成11條測試剖面，測點6905個，剖面長度103m，形成的雷達影像圖較多，在此只抽取檢測過程中較典型檢測圖像進行闡述。

5.1 隧洞中已探測段管片成像特征

在隧洞中共計測量了8條剖面，其中在隧洞的頂部軸向測量有5條，在每條的測線上都能清楚地反映大部分管片鋼筋是兩層均勻分布，在有些部位也發現鋼筋距離偏大，管片表層有金屬塊及混凝土和鋼筋沒有搗實的現象。

從圖3初步可以看出在管片的環向上同樣有兩層鋼筋，鋼筋的平面間距在20～25cm，鋼筋分布大致均勻，有個別分布不均，在大框內表示混凝土構件內部鋼筋位置沒有振搗密實，小框內表示在此位置的管片表面有金屬物體。

5.2 隧洞注漿回填質量檢測成果

隧洞質量檢測共完成5個頂部的軸向測量，3個環向測量，反映該隧洞不同地段的注漿大概特征。

圖4是1130環處半圓的雷達剖面測量，從該剖面可以看出，該段剖面管片的厚度在28～30cm之間，在40～50cm之間有一層彎曲不平的強反射面，推斷在此之間可能有金屬網存在。隧洞的圍巖推斷為60～70cm之間變化，在洞壁的外側存在一層反射面，推斷可能是隧洞施工形成的松動帶，在剖面中部的虛線框內為注漿相對欠實區，在欠實區內有厚度約10cm的脫空區。

圖3 1290環處從右側 (面向上游)下部向上約1/4環的雷達探測解釋圖

圖4 1130環處半環形雷達測量解釋剖面圖

6 結語

達坂隧洞通過此次灌注及灌漿質量地質雷達檢測試驗工作形成的雷達影像圖及資料分析，明確顯示管片鋼筋分布和部分異常管片厚度，探測出隧洞圍巖壁、一次襯砌、注漿密實狀態。雖然異常還需進一步驗證，但從資料上分析，測試剖面異常幅度明顯，證明該方法有效，能夠反映出隧洞襯砌及灌注質量的異常和工程隱患的存在。所以選擇地質雷達探測技術作為達坂隧洞襯砌灌注及灌漿質量的有效檢測方法是可行的。

1 王惠濂，李大心.脈沖時間域探地雷達講座 (連載).國外地質勘探技術，1989， (10):26-31; (11):32-36;(12):33-39;1990，(1):34-40

2 韓吉民.地質雷達在水庫防滲墻隱患檢測應用特征.中國地球物理.2004