地質雷達在公路隧道養護管理中的應用

吳耀宗

(四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 611130)

由于地質條件的復雜性，設計和施工的局限性，隧道在運營過程中二次襯砌會出現各種類型的病害，如襯砌開裂、厚度不足、背后接觸狀態不良、背后空洞等[1]。這些病害劣化了襯砌的受力狀態，降低了襯砌承載能力，誘發襯砌開裂、掉塊，嚴重影響隧道的安全運營[2-3]。為確保襯砌結構安全承載，消除隧道運營安全風險，有必要對隧道襯砌病害狀態進行調查，從而確定重點管理養護段落，制定對應的管養措施。作為一種無損檢測技術，地質雷達(GPR)具有高效、快速、直觀等特點[4-6]，廣泛應用于襯砌厚度、襯砌背后的回填密實度、襯砌內部鋼架和鋼筋的檢測。本文以地質雷達在某高速公路隧道病害整治中的應用為例，探討了地質雷達在隧道養護管理中的作用。

1 工程概況

某高速公路隧道長637 m，主洞內輪廓為凈寬11.06 m，拱高7.15 m的三心圓曲邊墻結構，設計荷載為公路-I級，設計時速80 km/h。隧道埋深較淺，最大埋深約122 m。隧址區地質構造較簡單，圍巖由侏羅系上統蓬萊組砂巖組成，屬軟巖，巖體中風化狀，巖體結構以中厚層狀為主，巖體一般較完整。除隧道洞口局部為V級圍巖外，其余段落均為Ⅳ級圍巖。

在運營過程中，隧道襯砌發現存在混凝土剝離、襯砌環向和縱向開裂、漏水，路面開裂、檢修道蓋板擠裂等現象，嚴重影響行車安全。為探明襯砌病害的特征及嚴重程度，制訂合理可靠的維修養護措施，業主組織相關單位對隧道進行病害調查。

2 地質雷達檢測

2.1 檢測儀器及流程

檢測設備采用瑞典MALA公司的RAMAC X3M地質雷達。雷達系統包含不同頻率的天線，合理的天線頻率直接影響測試結果的可靠性。測試前先在襯砌邊墻位置鉆孔實測襯砌厚度，然后采用地質雷達在該處進行數據采集，通過兩者厚度對比進行波速標定，進而確定采用500 m屏蔽天線。采樣頻7 500 MHz，采樣點數400點，采樣間距0.02 m。

檢測方法沿隧道縱向連續測量，分別沿襯砌拱圈布置7條測線(圖1)。為確定襯砌病害沿縱向的分布位置，在隧道邊墻位置沿縱向每5 m布設一處永久性里程標記。檢測時，利用檢測車以3～5 km/h的車速進行檢測(圖2)。

圖1 襯砌地質雷達檢測測線布置示意

圖2 現場地質雷達檢測

數據處理采用Reflexw軟件對雷達波數據進行道插值、偏移糾正、去直達波信號、增益、去水平信號、帶通濾波、滑動平均等操作，使目標體盡可能保證在時間深度剖面圖上的最大分辨率。

2.2 檢測結果分析

該隧道洞口段V級圍巖襯砌設計厚度為50 cm，洞身段Ⅳ級圍巖襯砌設計厚度為40 cm。表1為襯砌厚度檢測結果統計表，表中缺陷率=缺陷點/檢測點，可以看出該隧道襯砌厚度普遍不足，缺陷率整體較大，特別是拱頂和左拱腰，缺陷率高達37.66 %和34.57 %。

襯砌背后接觸狀態包括接觸密實、接觸不密實(松散)和脫空三種情況。襯砌背后接觸不密實和脫空是常見的襯砌質量缺陷。圖3為某典型區段拱肩地質雷達圖，從圖3中可以清楚地看到兩種接觸病害。表2為襯砌接觸狀態檢測結果統計表，可以看出隧道襯砌背后空洞有23處共48 m、襯砌背后不密實有40處共123 m，兩種病害占總測線長度的3.78 %。其中，襯砌背后空洞及不密實主要集中在左拱圈及拱頂位置。

圖3 某典型區段拱肩地質雷達

2.3 襯砌病害成因分析

由質量檢測結果可知，該隧道二次襯砌病害較為密集，襯砌病害的產生受多種因素影響，主要有以下幾點：

(1)隧址區地質條件較差。設計中隧道圍巖主要是砂巖夾泥巖，巖體較完整，而現場鉆孔取芯結果顯示圍巖以泥巖為主，較設計資料更差，加之隧址區地下水豐富，泥巖遇水容易軟化，圍巖自穩能力差，圍巖壓力增大進而影響二襯承載能力。

(2)施工質量缺陷。檢測結果顯示隧道普遍存在回填不密實現象，且對仰拱作用重視不夠，存在一定施工質量缺陷，在一定程度上影響隧道整體結構承載性能，誘發襯砌、路面等結構病害的產生。另外二襯臺車模板偏位，造成二襯混凝土左右側厚度不均勻；混凝土澆筑工藝差，造成二襯混凝土拱頂處不飽滿，產生空洞。

表2 襯砌接觸狀態檢測結果統計

3 襯砌狀態評估及工程對策

在地質雷達檢測結果的基礎上，根據相關規范文獻[7-9]，補充外觀檢查(包括鉆芯)和襯砌斷面檢查數據后，對隧道襯砌進行技術狀態評級。并根據方案合理、經濟可行；便于實施、施工快速的整治原則，指定襯砌病害整治措施。表3為隧道襯砌技術狀態評級及工程對策統計表，可以看出該隧道重點管理養護段落共8段，其中6段襯砌技術狀態評級為4級，2段技術評級為2級，而一般段落技術評級為2級。說明襯砌厚度不足和背后空洞是誘發襯砌開裂、剝落的重要因素，也是隧道養護管理中的主要難題。在管理中可采用地質雷達快速摸清這些主要矛盾的情報，以便開展針對性措施，提高養護效率。

表3 隧道襯砌技術狀態評級及工程對策統計

續表38ZK152+367～ZK152+395284類套拱+裂縫嵌補+泄水孔★9ZK152+395～ZK152+420252類裂縫嵌補+泄水孔10ZK152+420～ZK152+450304類套拱+裂縫嵌補+泄水孔★11ZK152+450～ZK152+505552類裂縫嵌補+泄水孔12ZK152+505～ZK152+515104類套拱+裂縫嵌補+泄水孔★13ZK152+515～ZK152+6221072類裂縫嵌補+泄水孔★

注：表中備注“★”處為襯砌厚度連續不足、嚴重不足段落以及襯砌背后空洞較大段落確定的重點管理養護段落。

4 結束語

襯砌厚度不足及背后空洞問題是既有隧道普遍存在的主要缺陷，準確快速地獲得襯砌質量情報，對癥下藥，制訂適宜的工程對策，對于隧道運營管理養護具有重要意義。與其它檢測方法相比，地質雷達具有快速、覆蓋面廣、準確度高等特點，能夠及時有效地確定隧道重點管理養護段落，開展運營期長期監測，對于提高養護管理水平和效率具有重要作用，在隧道運營養護中應大力推廣應用。