地質(zhì)雷達在優(yōu)化水工隧洞灌漿方案設計過程中的應用

熊　勇

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽　550002)

0　引言

水工隧洞作為水利水電工程的重要組成部分,對工程的安全運行起到至關(guān)重要的作用。水工隧洞深埋地下,除承受較大的圍巖壓力外,還要承受較高的外水壓力和內(nèi)水壓力,這就對水工隧洞的質(zhì)量提出了較高的要求。隧洞襯砌完成后需要按設計壓力進行回填、固結(jié)灌漿。由于隧洞地質(zhì)條件的復雜多變,完全遵照預先設計的灌漿壓力進行灌漿也不一定完全合理,有時由于耗漿量較大,造成隧洞施工成本較高,因此業(yè)主方會提出優(yōu)化灌漿方案的要求。如何保證水工隧洞施工質(zhì)量,同時又要節(jié)約施工成本成為隧洞施工中必須調(diào)和的一對矛盾。為此,在水工隧洞襯砌后的回填、固結(jié)灌漿過程中,本院采用探地雷達檢測技術(shù)對隧洞采用不同灌漿量前后的狀況進行檢測的方法對灌漿方案進行優(yōu)化,取得了一定的效果,為業(yè)主節(jié)約了數(shù)千萬元的灌漿費用。

1　地質(zhì)雷達檢測原理

圖1　雷達檢測原理示意圖

2　工程實例

2.1　工程概況

貴州某水電站工程,引水隧洞長約2 600 m,隧洞為圓形,直徑6.2 m。隧洞為鋼筋混凝土襯砌,設計襯砌厚度0.5 m,回填、固結(jié)灌漿為素混凝土。引水隧洞施工過程中,根據(jù)設計提供的灌漿壓力要求,灌漿量過大,造成工程費用較高,為此業(yè)主方提出優(yōu)化灌漿方案的需求。

2.2　儀器參數(shù)選擇及工作方法技術(shù)

針對隧洞混凝土襯砌厚度、隧洞內(nèi)部檢測的特點和檢測精度要求 ,探測儀器采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR20型地質(zhì)雷達,天線選用400 MHz屏蔽天線,儀器現(xiàn)場采集參數(shù)設置:記錄長度為50 ns,采樣點數(shù)為1 024,掃描速率為100掃描/s。現(xiàn)場檢測工作采用自制鋼架車與人工支撐雷達天線配合,數(shù)據(jù)采集過程盡量保證雷達天線與襯砌層緊密結(jié)合,并勻速向前移動天線,每5 m打一單標記,每倉混凝土連接處打一雙標記。測線主要布置在隧洞的拱頂、拱腰及邊墻三個部位[1],拱頂為隧洞頂部附近，拱腰為由拱頂至兩邊45°～50°角附近，邊墻為與圓心水平的兩邊墻附近(圖2)。參照《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程 》的要求,以縱向測線為主，雷達檢測發(fā)現(xiàn)異常規(guī)模較大部位輔以橫測線[2]。檢查孔主要根據(jù)每倉混凝土澆筑的時間來布置,對于檢測中發(fā)現(xiàn)的異常部位也要增加檢查孔,并通過這些檢查孔所取得的混凝土厚度,反算出該段混凝土的電磁波波速。

圖2　雷達測線布置示意圖

2.3　技術(shù)措施

為達到優(yōu)化灌漿量的目的，本院采取了如下檢測措施:①對已完成灌漿的隧洞段進行雷達檢測,確定是否存在脫空及不密實現(xiàn)象,結(jié)合壓水試驗評價灌漿質(zhì)量是否滿足設計要求,只有在該項評價滿足要求的前提下才存在優(yōu)化灌漿量的可能;②在第一項檢測滿足要求的前提下,對未灌漿洞段進行檢測,了解襯砌層后脫空空間的規(guī)模、分布情況及襯砌厚度變化情況,為后續(xù)灌漿工作提供指導;③邀請設計、施工、監(jiān)理、業(yè)主等相關(guān)單位共同分析,對灌漿方案進行優(yōu)化設計,然后按新方案進行灌漿施工;④對按優(yōu)化方案施工的洞段進行雷達檢測,對檢測發(fā)現(xiàn)問題部位進行鉆孔驗證并補充灌漿;⑤按水工隧洞驗收方案對整個襯砌質(zhì)量進行驗收。

2.4　雷達圖像的判別

雷達剖面的地質(zhì)解釋首先是數(shù)據(jù)處理,然后是圖像判釋。襯砌背后密實度的主要判定特征應符合下列要求:

密實信號幅度較弱,甚至沒有界面反射信號;

不密實襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形,且不連續(xù),較分散;

空洞襯砌界面反射信號強,三振相明顯,在其下部仍有強反射界面信號,兩組信號時程差較大。

2.5　實際檢測結(jié)果

(1)優(yōu)化灌漿方案前已完成灌漿施工洞段的檢測結(jié)果顯示,灌漿后未見不密實及脫空異常情況,存在優(yōu)化灌漿方案前提,典型雷達圖像如圖3。

(2)未灌漿洞段檢測結(jié)果顯示,襯砌厚度多數(shù)達到設計厚度50 cm以上,襯砌厚度不足及脫空較大的部位在兩倉連接處較常見,這種情況在樁號K1+011～K1+214段比較普遍,為灌漿施工需要特別注意的地方。典型地質(zhì)雷達圖像如圖4。

圖3　優(yōu)化灌漿方案前完成施工洞段雷達檢測典型圖像

圖4　未灌漿前兩倉連接處襯砌厚度不足及脫空典型雷達圖像

(3)按優(yōu)化方案灌漿施工后的洞段雷達檢測結(jié)果顯示,隧洞個別部位發(fā)現(xiàn)脫空及不密實異常存在,異常部位通過鉆孔驗證并補灌處理。

3　結(jié)論

通過優(yōu)化灌漿方案,為該項目節(jié)約灌漿資金約2 000萬元,項目已通過專家組驗收,引水隧洞運行正常。實踐證明地質(zhì)雷達檢測技術(shù)應用于優(yōu)化水工隧洞灌漿方案設計及隧洞的灌漿質(zhì)量監(jiān)測方面能起到一定效果,但方案的具體參數(shù)設計需要地質(zhì)、設計、施工等專業(yè)的密切配合。本文的目的在于探索拓展地質(zhì)雷達檢測技術(shù)在水工隧洞灌漿方案設計方面的應用,技術(shù)措施有待進一步完善。

參考文獻:

[1]曾昭發(fā),劉四新,王者江,薛建,探地雷達方法原理及應用[M].北京:科學出版社,2006:211.

[2]中國鐵路工程總公司.鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程[S].北京:中國鐵道出版社,2004:1841,1844.