隧道襯砌質(zhì)量地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)及應(yīng)用實(shí)例分析

摘要：隨著鐵路工程的發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種高效、先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)方法，地質(zhì)雷達(dá)法能夠?qū)λ淼酪r砌進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，獲得直觀的雷達(dá)圖像。文章從地質(zhì)雷達(dá)基本原理入手，探討了施工過(guò)程中各種隧道襯砌缺陷的形成機(jī)制，分析了相應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征，用以討論各類隧道襯砌缺陷的判識(shí)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；襯砌缺陷；隧道襯砌質(zhì)量；雷達(dá)檢測(cè)；鐵路工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U414 文章編號(hào)：1009-2374（2016）14-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.024

隧道工程的地質(zhì)條件一般情況下較為復(fù)雜，其施工難度大、環(huán)境惡劣，對(duì)施工工藝和施工工序要求較為嚴(yán)格，一旦卡控不嚴(yán)就很容易導(dǎo)致隧道質(zhì)量缺陷。鐵路建設(shè)單位為保證行車(chē)安全，越來(lái)越重視隧道的施工質(zhì)量，由于地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)效率高、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中。本文首先介紹了地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)的基本原理，然后結(jié)合隧道施工、檢測(cè)的實(shí)際情況給出了幾種常見(jiàn)的隧道襯砌缺陷類型，并從施工角度分析了襯砌缺陷的形成原因，同時(shí)針對(duì)每種缺陷類型給出了對(duì)應(yīng)的典型的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖像，分析了缺陷圖像特征，為隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)分析工作提供指導(dǎo)，最后給出了地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于隧道襯砌檢測(cè)的實(shí)例。

1 地質(zhì)雷達(dá)缺陷檢測(cè)的基本原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)隧道檢測(cè)理論基礎(chǔ)

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量是利用工程介質(zhì)不同介質(zhì)的電性差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)將高頻電磁波向工程介質(zhì)發(fā)射，當(dāng)電磁波穿透工程介質(zhì)時(shí)，由于不同的工程介質(zhì)或者工程介質(zhì)與缺陷介質(zhì)存在著電性差異，電磁波將在電性不同的介質(zhì)界面發(fā)生反射。地質(zhì)雷達(dá)就是根據(jù)介質(zhì)的反射波特性以及電磁學(xué)性質(zhì)來(lái)揭示工程介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的，地質(zhì)雷達(dá)的工作原理如圖1所示：

1.2 電磁波在襯砌不同介質(zhì)中的反射特性

電磁波在傳播過(guò)程中遵循波的反射和折射定律，一般雷達(dá)電磁波被認(rèn)為是近垂直入射，對(duì)于非磁性介質(zhì)而言（如混凝土等），反射系數(shù)R可簡(jiǎn)化為：

式中，、為反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，由式（1）可知，相鄰介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，則反射信號(hào)超強(qiáng)烈。

而對(duì)于金屬良導(dǎo)體（如鋼筋、鋼架等），反射系數(shù)R則簡(jiǎn)化為另一種形式：

式中，為電磁波的角頻率；為金屬的電導(dǎo)率。從式（2）可以看出，由于金屬的電導(dǎo)率趨于，即當(dāng)電磁波傳播至鋼筋、鋼架時(shí)，電磁波將發(fā)生全反射。

2 襯砌缺陷的形成機(jī)制及雷達(dá)圖像形態(tài)特征

分析隧道襯砌缺陷形成原因，研究不同缺陷在地質(zhì)雷達(dá)圖像中的形態(tài)特征，對(duì)于隧道襯砌缺陷的辨識(shí)有很大的幫助，下面就四種常見(jiàn)的隧道缺陷進(jìn)行分析：

2.1 各種襯砌空洞

襯砌空洞可能存在于隧道襯砌的任何部位，襯砌空洞不僅會(huì)造成襯砌混凝土開(kāi)裂，嚴(yán)重者還會(huì)使襯砌產(chǎn)生掉塊，危及行車(chē)安全，更有甚者會(huì)使圍巖失穩(wěn)。混凝土與空氣或混凝土與水的介電常數(shù)差異很大。通過(guò)上述可知，不管空洞內(nèi)有沒(méi)有水的存在，電磁波在空洞處都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，這種強(qiáng)反射在雷達(dá)圖像上可以比較清晰地表現(xiàn)出來(lái)。按照空洞出現(xiàn)位置及成因的不同，主要可以分為以下兩種：

2.1.1 防水板與初支之間的空洞。此類空洞多是由于光面爆破效果不好或者防水板鋪設(shè)不當(dāng)造成的。

2.1.2 防水板與襯砌之間的空洞。在澆筑二次襯砌時(shí)，如果混凝土灌注不滿，加上混凝土本身存在的“干縮”現(xiàn)象，往往會(huì)在襯砌中形成空洞，受混凝土流動(dòng)性影響，空洞多集中于拱頂、拱腰部分。這類空洞一般表現(xiàn)出連續(xù)性，且縱向尺寸較大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，隧道在設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)在拱頂設(shè)計(jì)一定數(shù)目的注漿孔，以留作后期二次注漿之用。

2.2 襯砌不密實(shí)

2.2.1 混凝土內(nèi)部不密實(shí)。混凝土內(nèi)部不密實(shí)可能是由于混凝土振搗不充分、漏漿或者混凝土離析等原因造成的，這時(shí)混凝土內(nèi)部一般呈蜂窩狀或者松散狀。這類問(wèn)題一般容易出現(xiàn)在鋼筋混凝土或隧道仰拱填充中。

2.2.2 仰拱虛渣、積水。按照施工要求，隧道充填混凝土層和仰拱應(yīng)該分開(kāi)澆筑，圖2為隧道仰拱上表面積碴、積水導(dǎo)致仰拱和仰拱填充層交界面不密實(shí)。

2.3 鋼架及二襯鋼筋數(shù)量

當(dāng)隧道圍巖較差時(shí)，為了增加襯砌的支護(hù)抗力，一般在初期支護(hù)中加設(shè)鋼拱架，同時(shí)使用鋼筋混凝土作為二次襯砌來(lái)共同承擔(dān)圍巖壓力和變形。鋼拱架、二襯鋼筋數(shù)量不足將嚴(yán)重危及隧道結(jié)構(gòu)安全，給線路運(yùn)營(yíng)期間行車(chē)安全埋下巨大隱患。鋼架及二襯鋼筋數(shù)量的判識(shí)較為簡(jiǎn)單，二襯鋼筋在地質(zhì)雷達(dá)圖像上呈現(xiàn)為連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)，

而鋼拱架則呈現(xiàn)為分散的月牙形強(qiáng)反射信號(hào)，如圖3所示：

2.4 襯砌厚度不足

襯砌厚度不足屬于隧道工程質(zhì)量通病，多是由于隧道欠挖所致。襯砌厚度不足會(huì)導(dǎo)致襯砌表面發(fā)生裂縫，造成混凝土掉塊，影響行車(chē)安全。

3 工程實(shí)例

3.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道二襯脫空的應(yīng)用實(shí)例

圖4為西南某隧道D1K191+485-480拱頂雷達(dá)圖像，拱頂二襯設(shè)計(jì)厚度為45cm，從圖像可以看到，D2K81+483-486段，深度約20～50cm范圍內(nèi)有反射界面，且界面下方形成多次反射，判斷為二襯脫空，脫空高度約20～25cm。使用沖擊鉆鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與雷達(dá)圖像判識(shí)結(jié)果一致，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證照片如圖5所示。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)二襯鋼筋數(shù)分布的應(yīng)用實(shí)例

圖6為西南地區(qū)某隧道D8K147+845-850右邊墻雷達(dá)圖像，設(shè)計(jì)鋼筋間距為25cm，標(biāo)示了邊墻縱向施工縫上1.5m處測(cè)線和邊墻縱向施工縫上2m處測(cè)線。圖7可以看出平均鋼筋間距約為50cm，而此測(cè)線上方0.5m處的測(cè)線即顯示鋼筋并不缺少，經(jīng)分析推測(cè)形成圖7的原因可能是邊墻插筋與二襯鋼筋之間扎絲脫落，灌注混凝土?xí)r，造成二襯鋼筋向后擠密、上浮，無(wú)損檢測(cè)時(shí)，二襯鋼筋信號(hào)被長(zhǎng)插筋信號(hào)遮擋，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)破檢檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)果與推測(cè)一致。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧底片石混凝土填充應(yīng)用實(shí)例

隧底填充片石混凝土的情況時(shí)有發(fā)生，往往是由于施工隊(duì)伍安全意識(shí)淡薄、偷工減料所致。圖8為西南地區(qū)某隧道D1K191+495-500隧底雷達(dá)圖像，該段仰拱設(shè)計(jì)厚度為45cm，填充為91.5cm，從圖中可以看到D1K191+495-498段，深度40～100cm范圍內(nèi)雷達(dá)反射信號(hào)較強(qiáng)，且雜亂無(wú)章，判斷異常信號(hào)為混凝土填充不密實(shí)。經(jīng)鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)此處混凝土夾雜大量片石，最大片石充填深度范圍為1m。

4 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量具有無(wú)損、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，因此在檢測(cè)鐵路隧道施工質(zhì)量方面具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。它不僅可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出隧道襯砌的厚度，還可以反映出襯砌內(nèi)部缺陷，由于其操作簡(jiǎn)單，因此可以對(duì)施工中或者運(yùn)營(yíng)中鐵路隧道進(jìn)行大面積檢測(cè)。通過(guò)大量隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)資料的積累和分析，總結(jié)各種缺陷圖像的特征，對(duì)同類隧道質(zhì)量檢測(cè)具有非常重要的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：黃潘（1983-），男，湖北人，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司工程師，工學(xué)碩士，研究方向：巖土工程。

（責(zé)任編輯：蔣建華）