隧道混凝土襯砌質量檢測方法

周 暉

（衢州市交通工程質量安全監督站，浙江衢州 324000）

0 引言

當前，隧道工程主要采用復合式襯砌，包括兩個部分，即初期支護和混凝土襯砌。其中，初期支護的作用是確保施工期間的圍巖穩定性，混凝土襯砌的作用是保證施工期間的安全性，并承擔后期圍巖的壓力。一般情況下，混凝土襯砌應在滿足構造要求的前提下，根據圍巖的級別進行設計，比如，Ⅳ類以上圍巖，混凝土襯砌設計依據是安全儲備；Ⅲ類以下圍巖，混凝土襯砌設計依據是承載結構。對于隧道工程來說，混凝土襯砌是承載結構和防水結構的重要保證，施工質量直接決定隧道工程的穩定性和安全性，影響隧道工程的正常使用功能。調查研究顯示，隧道混凝土襯砌質量問題包括塌方、滲水、漏水及開裂等，因此，采用合適的方法對隧道混凝土質量進行檢測是十分必要的。隧道混凝土襯砌質量檢測方法有鉆孔法、沖擊回波法、激光斷面儀檢測法、超聲波檢測法及探地雷達法[1]，本文以實際工程為例，重點介紹探地雷達法在隧道混凝土襯砌質量檢測中的應用。

1 探地雷達法

1.1 工作原理

探地雷達法屬于無損傷檢測方法，借助高頻脈沖電磁波，探測和分析相關介質的分布狀態，以評價隧道混凝土襯砌質量。將天線作為媒介，發射機發射的高頻寬帶電磁波進入到混凝土中，經過反射之后，反射信號由接收機接收。高頻寬帶電磁波的傳播過程中，由于介質的影響，比如介質幾何形態的變化、截至電磁性的變化等，會形成相應的波形變化、能量變化以及相位變化，然后，采用計算機分析方法，研究和處理反射信號波形、能量和運行時間，進而判斷隧道混凝土襯砌的結構，探討隧道混凝土襯砌的質量[1]。

1.2 檢測方法

檢測時，緊貼混凝土襯砌的表面設置接收天線和發射天線，高頻寬帶電磁波經由發射天線，進入混凝土襯砌，當電磁波的傳播路徑受阻時，比如遇到巖石的斷裂面、巖石與混凝土的分界面、空氣與混凝土的分界面、混凝土的空隙、鋼拱架、鋼筋等，電磁波產生反射，再經由接收天線，反射信號被接收機接收。根據電磁波從發射到接收的時間，可以計算出電磁波的單向路程長度[3]，公式如下：

式中：h 是為電磁波的單向路程長度，m；v 為電磁波在介質中的傳播速度，m/ns；Δt 為電磁波從發射到接收的時間，ns。

對于探地雷達工作頻段來說，可將地下介質看做是準電介質，電磁波在介質中的傳播速度計算公式如下：

式中：v 為電磁波在介質中的傳播速度，m/ns；c為電磁波在真空中的傳播速度，0.3 m/ns；x 為相對介電常數，由介質的屬性決定，如表1所列[4]。

表1 不同介質的相對介電常數及傳播速度一覽表

1.3 檢測成果

（1）混凝土襯砌的厚度:研究表明，隧道圍巖與混凝土襯砌的介電常數相差很大，因此，在隧道圍巖和混凝土襯砌的分界面，電磁波會產生明顯的反射現象，按照上述公式，能夠得出混凝土襯砌的厚度[5]。

（2）混凝土襯砌的背部空洞:隧道圍巖和空氣的介電常數差別明顯，若混凝土襯砌的背部存在空洞問題，非常容易反映在探地雷達效果圖上。

2 隧道混凝土襯砌檢測應用分析

2.1 工程概況

杭金衢高速公路位于浙江省的中西部地區，是連接浙江省主要城市的交通紐帶，公路全長 289 km，竣工于 2003年底。本文選擇新嶺隧道作為研究對象，包括兩個雙車道分離式隧道，隧道長度約為 1 423 m，隧道的最大埋深約為 156 m。Ⅱ類圍巖地段，混凝土襯砌的設計厚度為 45 cm，采用鋼筋混凝土；Ⅲ類圍巖地段，混凝土襯砌的設計厚度為 40 cm，采用素混凝土；Ⅳ類圍巖地段，混凝土襯砌的設計厚度為 30 cm，采用素混凝土，設計強度均為 25 MPa。

2.2 檢測準備

探地雷達系統采用美國 GSSI 公司 SIR-2 型，發射天線和接收天線的頻率為 900 Hz，如圖1所示，在拱頂及距拱頂中心線平距為 2 m 的兩邊位置布設測線，沿混凝土襯砌表面，采用連續掃描的方式，通過車載天線進行檢測。

圖1 混凝土襯砌檢測現場測線布置圖

2.3 檢測結果及驗證

探地雷達剖面圖如圖2、圖3所示，分析和處理探地雷達剖面圖，對于存在空洞的區域，進行鉆孔檢測，并比較探地雷達的檢測成果及鉆孔檢測成果，典型地段的測試結果如下。

圖2 K207+100 到 K207+210 雷達檢測成果圖

圖3 K207+210 到 K207+310 雷達檢測成果圖

（1）K207+100～K207+145，Ⅰ類圍巖地段，存在多個小空洞，密實程度不滿足要求，混凝土的厚度在 20～40 cm，空洞的高度在 10～25 cm，其中，部分地段的空洞較大，最大可以達到 5 m，如圖4所示。鉆孔檢測的混凝土厚度為 42 cm，空洞的高度為24 cm。

圖4 混凝土襯砌不密實現象（1）圖示

（2）K207+150～K207+185，Ⅰ類圍巖地段，混凝土厚度在 15～25 cm，空洞高度在 20～25 cm。鉆孔檢測的混凝土厚度為 24 cm，空洞高度為 32 cm。

（3）K207+195～K207+240，Ⅰ類圍巖地段，全段不密實，存在連續小空洞，每個空洞的范圍大概為1 m，混凝土的厚度在 10～25 cm，其中，K207+220處空洞最大，可以達到 8 m 左右，空洞的高度在40 cm 左右，如圖5所示。鉆孔檢測的混凝土厚度為 25 cm，空洞的高速為 39 cm。

圖5 混凝土襯砌不密實現象（2）圖示

（4）K207+255，Ⅱ類圍巖地段，混凝土厚度在15～30 cm，空洞高度在 15～45 cm，空洞范圍在5～6 m 之間。鉆孔檢測的混凝土厚度為 17 cm，空洞高度為 50 cm。

（5）K207+300，Ⅲ類圍巖地段，混凝土厚度在5～20 cm，空洞高度在 20～60 cm，空洞范圍在12 m 左右。鉆孔檢測的混凝土厚度為 8 cm，空洞高度為 65 cm。

比較探地雷達檢測結果和鉆孔檢測結果，兩種方法的厚度檢測誤差不超過 5%，高度檢測誤差不超過 6%，但是，對于配筋區域來說，混凝土襯砌的檢測誤差稍大，當空洞高度不超過 20 cm 時，需要相應地提高檢測精度。總之，在隧道混凝土襯砌質量檢測中，探地雷達法可以提供比較準確的檢測成果，滿足實際混凝土襯砌質量檢測的需求。

3 隧道混凝土襯砌質量問題處理方案

根據實際混凝土襯砌的質量問題，以混凝土襯砌厚度不超過 5 cm 為原則，可以采用如下處理方案[6]。

第一，拱頂混凝土襯砌厚度大于設計厚度的70%，可以使用加氣小石子混凝土填筑密實；拱頂混凝土襯砌厚度小于設計厚度的 70%，Ⅱ類圍巖地段，由于采用鋼筋混凝土，可以使用同標號的混凝土進行填筑，Ⅲ類圍巖地段和Ⅳ類圍巖地段，需要將鑿除原有的混凝土，再進行重新澆筑作業。

第二，邊拱混凝土承受的荷載較大，如果混凝土襯砌厚度小于設計厚度至少 5 cm 時，就必須將原有的混凝土鑿除，再使用全新的鋼筋混凝土進行澆筑作業。

4 結語

本文主要研究探地雷達法在隧道混凝土襯砌質量檢測中的應用，結合實際工程，分析和驗證探地雷達的檢測成果，研究表明，探地雷達法能夠滿足隧道混凝土質量檢測的要求。

[1] 鐘世航.朔黃線中段 45 座隧道襯砌的質量檢測[A].隧道和地下工程第 10 屆科技動態報告文集[C].成都:西南交通大學出版社,2000.

[2] JTJ071-98,公路工程質量檢驗評定標準[S].

[3] 周立功,嚴炎興,張惠生.探地雷達技術在隧道病害檢測中的應用[J].施工技術，1998,(3):15-16.

[4] 鄧中俊,姚成林,賈永梅,等.探地雷達在水工隧洞質量檢測中的應用[J].水利水電技術,2008,39(10):111-112.

[5] 陳建勛.隧道混凝土襯砌質量檢測方法[J].長安大學學報(自然科學版),2002,22(3):51-54.

[6] 馬翔.探地雷達在水庫壩基古河槽勘察中的應用[J].工程勘察,2001,(1):63-66.