南杖子隧道襯砌裂縫檢測(cè)分析

董澤 許懷玉 李進(jìn)斌

摘 要：針對(duì)京沈客專南杖子隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)采用LTD-2100探地雷達(dá)，測(cè)量出襯砌裂縫深度。通過對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與雷達(dá)圖像分析，得出襯砌裂縫產(chǎn)生的原因，為類似工程檢測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞：襯砌裂縫檢測(cè)；襯砌裂縫原因分析

近年來，我國進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在橋隧工程取得突出成果。但在已建成的隧道中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隧道襯砌背后空洞、襯砌開裂等工程病害問題。產(chǎn)生病害的主要原因是在隧道建設(shè)過程中的因素，這就會(huì)直接影響到隧道的正常運(yùn)行，造成安全隱患。在京沈客專遼寧段內(nèi)南杖子隧道襯砌檢測(cè)中，我們采用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)收集處理、相關(guān)資料分析和專業(yè)處理軟件模擬分析，從而確認(rèn)隧道施工質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)過程中的安全性。

1 工程概況

南杖子隧道地貌屬于低山丘陵區(qū)，隧址區(qū)內(nèi)山體多見基巖出露，植被茂盛，為山林。隧道所經(jīng)山脈海拔最高高程為384.03m，最高點(diǎn)里程為DK396+791.60，隧道最大埋深103.7m。隧道全長(zhǎng)2025m，隧道內(nèi)采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式。南杖子隧道圍巖多是風(fēng)化巖石，加之隧道本身施工難度大，隧道襯砌極易出現(xiàn)裂縫。

2 檢測(cè)過程

現(xiàn)場(chǎng)采用LTD-2100探地雷達(dá)，配置900M天線對(duì)南杖子隧道的襯砌質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。在使用雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，要注意將發(fā)射和接收天線與隧道襯砌表面緊密貼在一起，并保持水平地沿襯砌表面滑行，在向前滑動(dòng)過程中，由雷達(dá)主機(jī)高速發(fā)射雷達(dá)脈沖信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)襯砌。同時(shí)，進(jìn)行連續(xù)快速收集信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的詳細(xì)如下：

2.1 天線型號(hào)選擇

針對(duì)隧道襯砌檢測(cè)的具體情況，分別從雷達(dá)信號(hào)接收分辨率、雷達(dá)信號(hào)穿透力和輸出信號(hào)穩(wěn)定性這三個(gè)方面進(jìn)行綜合考量。因此，我們選擇了900MHz天線。通過信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)出襯砌之間存在的病害，進(jìn)而確定墻體內(nèi)鋼筋分布情況，估計(jì)出二襯厚度。

2.2 記錄參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選定出雷達(dá)天線后，進(jìn)行記錄參數(shù)選取試驗(yàn)。再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試分析得出結(jié)果，確定主要參數(shù)如下：

（1）檢測(cè)速度保持在5km/h；

（2）每道包括512個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)；

（3）900m天線的時(shí)窗為25ns；

（4）采用測(cè)距輪檢測(cè)方式，每隔1m打一個(gè)標(biāo)記，每10米大雙標(biāo)。

現(xiàn)場(chǎng)采集的雷達(dá)掃描圖像，通過計(jì)算機(jī)圖像處理后，繪生成成彩色探地雷達(dá)剖面圖。經(jīng)過觀察雷達(dá)圖像，發(fā)現(xiàn)出襯砌異常部位，并對(duì)可疑部位進(jìn)行反復(fù)測(cè)量和加密測(cè)量，可能遇到隨機(jī)情況影響探測(cè)效果的，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，并保留全部數(shù)據(jù)為有效記錄。

3 雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)處理和雷達(dá)圖像解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的是通過提高雷達(dá)信號(hào)信噪比，從而將異常信號(hào)突出化的過程。首先將現(xiàn)場(chǎng)采集的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中，其次使用配套的探地雷達(dá)處理軟件進(jìn)行處理數(shù)據(jù)。在軟件處理之前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。經(jīng)過預(yù)處理后，還要進(jìn)行一系列的數(shù)字化處理，其作用主要是通過有效的壓制干擾信號(hào)的能量，從而提高雷達(dá)信號(hào)的信噪比，使得雷達(dá)信號(hào)更易于識(shí)別地質(zhì)情況，準(zhǔn)確的反映檢測(cè)的地質(zhì)現(xiàn)象，從而提供更準(zhǔn)確的解釋結(jié)果。

3.2 雷達(dá)圖像分析

探地雷達(dá)圖像的分析主要包括定性分析和定量分析兩種。定性分析主要針對(duì)襯砌背后脫空規(guī)模大小和產(chǎn)狀的判定，由于界面兩側(cè)的不同介質(zhì)存在一定的電性差異，尤其是當(dāng)有空洞存在時(shí)，在該界面位置會(huì)出顯示較強(qiáng)反射，電磁波能量會(huì)顯著增強(qiáng)，從而會(huì)形成強(qiáng)反射界面，但當(dāng)混凝土內(nèi)有鋼筋時(shí)，該界面會(huì)變得不清晰。定量分析主要是在對(duì)襯砌層厚度的判定上，襯砌層厚度的主要是依據(jù)界面的追蹤及電磁波的速度進(jìn)行判定，混凝土與圍巖界面主要按照?qǐng)D像相位及振幅進(jìn)行追蹤。雷達(dá)圖像主要根據(jù)圖像電磁波波形，振幅大小及電磁波同相連續(xù)性的好壞來判斷襯砌層與圍巖的接觸情況。

4 隧道襯砌裂縫分析

4.1 隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的原因

隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的地段多位于隧道洞口、溝底部。這些地方的巖體松散、裂隙發(fā)育、豎向受壓力大，地層的偏心壓力和隧道建成后圍巖的擾動(dòng)等是產(chǎn)生襯砌裂縫的原因；襯砌裂縫的產(chǎn)生與施工技術(shù)也有很大關(guān)系，包括隧道掘進(jìn)方式、材料選用、襯砌混凝土攪拌情況、混凝土水灰比的確定、結(jié)構(gòu)拆模、拱背回填和混凝土養(yǎng)護(hù)情況等。因以上原因可直接導(dǎo)致混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，產(chǎn)生不同類型裂縫。外界因素的影響對(duì)裂縫產(chǎn)生也有很大影響，混凝土本身的熱脹冷縮也是產(chǎn)生裂縫的重要原因，通常在北方溫差較大的地區(qū)，十分常見產(chǎn)生這種裂縫。

4.2 檢測(cè)結(jié)果分析

經(jīng)探地雷達(dá)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)南杖子隧道多條有裂痕標(biāo)段，通過對(duì)雷達(dá)掃描圖像分析與數(shù)據(jù)處理，得出各裂痕標(biāo)段襯砌裂縫位置、深度、長(zhǎng)度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料與LTD探地雷達(dá)圖譜，通過分析發(fā)現(xiàn)此次產(chǎn)生裂縫的原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）隧道圍巖條件較為破碎。例如，隧道進(jìn)出口里程DK395+765-DK397+790，全長(zhǎng)2025m，最大埋深103.7m。其中Ⅴ級(jí)圍巖325米，Ⅳ級(jí)圍巖610米，Ⅲ級(jí)圍巖1090米。DK396+420-DK396+645該段設(shè)計(jì)為頁巖弱風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄、中厚層狀構(gòu)造，礦物成分主要為粘土礦物。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，呈碎塊結(jié)構(gòu)，襯砌類型為IVa-1型。

（2）偏心受壓使襯砌受力不均產(chǎn)生裂縫。隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的另一個(gè)主要原因是隧道偏心受壓，產(chǎn)生偏心受壓的原因很復(fù)雜，可能由于特殊的地質(zhì)和地形條件、隧道結(jié)構(gòu)不對(duì)襯、襯砌回填不密實(shí)等因素引起。偏壓會(huì)給隧道帶來的不利影響，在山區(qū)隧道中非常普遍，且對(duì)隧道具有很大危害性。因偏心受壓而產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象主要在隧道洞口路段段和地質(zhì)突變段出現(xiàn)。DK395+765～DK397+000范圍內(nèi)為單斜構(gòu)造，為侏羅系上統(tǒng)九佛堂組，主要巖性為粉砂巖、頁巖、巖層產(chǎn)狀29°∠16°，節(jié)理裂隙較發(fā)育。使得受壓不對(duì)稱，極易產(chǎn)生裂縫。

5 結(jié)語

本次南杖子隧道檢測(cè)的探地雷達(dá)野外采集數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)處理軟件進(jìn)行一系列處理、分析后，得出南杖子隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)南杖子隧道襯砌的檢測(cè)以及對(duì)隧道襯砌裂縫的分析研究，為類似工程檢測(cè)提供參考。

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