地質雷達檢測與處治隧道二次襯砌質量研究

周明偉

(健研檢測集團有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

近年來，隨著我國快速客運交通以及市政工程建設的迅速發展，越來越多的鐵路、公路隧道開始涌現，伴隨而來的隧道二次襯砌質量問題層出不窮。科學、有效地探查二次襯砌質量問題，經濟、合理地預防和處治二次襯砌質量缺陷，能極大地降低隧道病害的發生，保證隧道施工及運營期間的安全。地質雷達以其特有的連續、無損、高效、便攜、高精度等特點，在隧道襯砌質量檢測中廣泛應用。

1 地質雷達工作的基本原理

地質雷達作為一種淺層工程物探方法的新技術，通過發射天線T以寬頻帶(106Hz～109Hz)短脈沖的形式，向介質內發射高頻電磁波，當其遇到不均勻體(電性變化界面)時產生反射回波被另一天線R接收，然后通過對反射信號進行分析和解譯，達到識別隱蔽目標物、建立地下介質的結構模型目的。地質雷達在介質中傳播如圖1所示。

其工作的基本原理，在于電磁波在特定介質中的傳播速度v是已知的；對于特定的天線系統，收發距x是固定的。因此，根據地質雷達記錄上的反射波與入射波的時間差t，即可根據式(1)～(2)算出異常目標物的埋藏深度h：

(1)

(2)

式中，c是電磁波在大氣中的傳播速度；ε為相對介電常數。

圖1 地質雷達電磁波在介質中的傳播示意圖

收發距x一般極小，實際工程應用中，埋藏深度經常用h=vt/2近似得到。

2 地質雷達在隧道二次襯砌檢測中應用實例

2.1 工程概況

某隧道位于福建省福州境內，起始里程DK76+944，終止里程為DK78+805，全長1861m。隧道為雙線鐵路隧道，設計時速200km/h，隧道內線間距為4.4m～4.6m，采用有砟軌道碎石道床，軌道結構高度766mm。隧道采用馬蹄形斷面、全包防水、復合式襯砌形式。

2.2 現場檢測

現場測試采用勞雷SIR-4000地質雷達及配套的屏蔽天線進行。檢測時，天線與隧道襯砌表面密貼，沿測線均勻滑動；滑動時天線不能停頓也不能脫開。

(1)天線選型

針對本次檢測的具體情況，從分辨率、穿透深度和穩定性3個方面綜合考量，選擇了900MHz的屏蔽天線。

(2)記錄參數的確定

根據探測深度及目標物尺寸等，設置時窗深度為15ns，采樣點數為512，掃描速度為100掃描/s，選取時間測量模式。

(3)測線布置

根據測試要求，雷達測線沿隧道縱向布置，共布置5條連續測線，分別為：拱頂、左右拱腰、左右邊墻。具體測線位置如圖2所示。

圖2 隧道二次襯砌檢測測線布置示意圖

(4)檢測流程

①為保證點位的準確，在檢測工作開展前，提前在隧道的邊墻上每10m做好標記，每50m設置里程樁號標識，安排清理隧道內的雜物，準備好襯砌臺車等工作臺架。

②波速標定。電磁波在介質中傳播的速度主要取決于介質的介電常數，選擇適當的介電常數對于獲取目標體準確的深度信息非常重要。本次二襯檢測，選取隧道大里程洞口電纜槽厚度可量測部位進行波速標定，確定電磁波波速約為0.12m/ns，介電常數約為6.26。

③隧道檢測工作開始后，檢測工程師負責設備操作及記錄(測線位置、里程樁號、標記間隔、干擾與異常)，并負責現場協調，安排專人負責天線數據采集及相關輔助工作(照明、車輛調度等)。

2.3 檢測數據處理與分析

(1)數據分析流程及結果

采集的雷達掃描數據，經過對數據文件預處理后，采用配套軟件Radan7進行分析解譯。常見的處理流程包括：確定時間零點→背景去除→帶通濾波→增益→反褶積→偏移歸位→2D交互式解釋等。

隧道襯砌質量缺陷往往伴隨著區域介質的變化，如空洞、脫空、不密實、裂縫等混凝土介質中出現的空氣介質層，而滲漏水會造成混凝土襯砌中產生含水層。電磁波通過這些介質躍變層時會產生相應的反射異常，電磁波的振幅、極性、頻譜特征、同相軸形態特征會出現明顯變化。這些變化，最終會在電磁波連續測線組成的灰度圖上反映出來。通過對檢測數據進行分析，本項目共計發現隧道襯砌質量問題397處，如表1所示。

表1 某隧道二次襯砌質量問題匯總表

(2)二次襯砌質量缺陷典型圖像

常見的二次襯砌質量缺陷，包括空洞、脫空、不密實、襯砌厚度不足等。

①空洞、脫空判釋要點

空洞在地質雷達圖像上顯示為，孤立體信號，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。

脫空在地質雷達圖像上顯示為，出現多次反射，電磁波同相軸呈弧形，相位與相鄰道發生錯斷，振幅明顯增強。典型的二次襯砌脫空圖像如圖3所示。

圖3 典型的隧道二次襯砌脫空圖像

②不密實判釋要點

不密實在地質雷達圖像上顯示為凌亂、不連續的強反射能量團塊狀異常，電磁波波形雜亂，同相軸錯斷[1]。典型的二次襯砌不密實圖像如圖4所示。

圖4 典型的隧道二次襯砌不密實圖像

③襯砌厚度不足判釋要點

襯砌厚度不足判斷的前提是，準確判斷二次襯砌與初支噴射混凝土的交界面。由于噴射混凝土與二次襯砌混凝土的電性參數相差較小，如它們之間接觸較好，則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。因此，交界面的判斷則需要以二次襯砌混凝土中的第二排鋼筋網的下表面，或者噴射混凝土中的初支鋼架、格柵拱架的上表面等作為參照物。如二次襯砌混凝土中同時出現脫空，亦可通過空氣層的上表面來判斷。典型的隧道二次襯砌厚度不足圖像如圖5所示。

圖5 典型的隧道二次襯砌厚度不足圖像

3 二次襯砌質量問題產生的原因分析

3.1 二次襯砌脫空產生的常見原因

(1)初期支護噴射混凝土施工質量較差

初支光爆效果差，開挖面不平順，超挖嚴重，初期噴射混凝土作業時，噴射厚度不足或超挖選用回填材料不當，不能完全填充圍巖表面的坑洞，初支鋼架或格柵拱架背后未回填密實，二次襯砌難以與初期支護密貼，造成脫空。

(2)防水板鋪設質量欠佳

如隧道初期支護表面不平順，防水板鋪掛過緊，防水板未與初支面密貼，導致二次襯砌混凝土澆筑時，混凝土因防水板阻隔無法填充初期支護表面凹槽或坑洞，形成二襯背后脫空[2]。

(3)二次襯砌混凝土澆筑工藝控制不當

二次襯砌混凝土拌制或配合比不當，會導致混凝土在澆筑過程中產生收縮。襯砌臺車支撐不牢固或剛度不足，脫模時間過早，二襯混凝土下沉過大。注漿工藝不當：泵送混凝土壓力不足、泵送角度不合理、混凝土流動性不夠、澆筑間隔時間過長，以及拆管過早、封口不當等，都會導致二次襯砌背后脫空或空洞[3]。

3.2 二次襯砌厚度不足的常見原因

二次襯砌厚度不足的常見原因包含：①測量放線精度低或爆破效果不理想，圍巖侵限；②預留變形量不足，圍巖變形量過大；③初支噴射混凝土局部過厚，二次襯砌施工時未進行有效處理；④二次襯砌背后脫空伴隨的二次襯砌厚度不足；⑤處理塌方過程中，對個別突出的巖石或初支拱架未進行處理，造成二次襯砌厚度不足。

4 二次襯砌質量問題專項整治方案

4.1 襯砌厚度不足專項整治方案

襯砌厚度不足整治方案設計時，首先必須對厚度不足成因進行區分：①圍巖欠挖導致襯砌厚度不足；②脫空導致厚度不足。

根據設計方案，襯砌厚度不足整治須遵循如下原則：

①二次襯砌厚度大于設計厚度的90%，襯砌表面無裂損情況，采取長期觀察、監測處理。

②二次襯砌厚度為設計厚度的80%～90%，且缺陷段測線長度小于2m，襯砌表面無裂損情況，采取長期觀察、監測處理。當拱部140°范圍內有3條及以上(同一斷面)測線顯示襯砌厚度為設計厚度的80%～90%時，采取拱部140°范圍鑿除二次襯砌舊混凝土、植筋、重筑至設計厚度的混凝土處理。

③二次襯砌厚度為設計厚度的80%～90%，且缺陷段測線長度大于2m，二次襯砌存在缺陷，采取缺陷范圍鑿除舊混凝土、植筋、重筑至設計厚度的混凝土。

④二次襯砌厚度小于設計厚度的80%，且二次襯砌存在缺陷，采取缺陷范圍鑿除舊混凝土、植筋、重筑至設計厚度的混凝土。

⑤當鑿除襯砌邊緣距離環向施工縫小于1m時，需將鑿除襯砌邊緣與環向施工縫之間不足1m的襯砌一并鑿除處理；拱部襯砌鑿除寬度應不小于50cm。

素混凝土拱部140°拆換處理流程如下：脫空位置鉆孔檢查→確定欠厚拆換范圍→設置拱墻鋼架臨時支撐→拆除欠厚范圍拱部140°襯砌混凝土→施工縫處理→檢查驗收→鋪設防水材料→檢查驗收→植入鋼筋→檢查驗收→模筑二襯混凝土→回填灌漿。拱部鑿除如圖6所示，縱向素混凝土襯砌厚度不足整治如圖7所示。

圖6 二次襯砌拱部襯砌厚度不足鑿除斷面圖

圖7 縱向素混凝土襯砌厚度不足整治示意圖

4.2 二次襯砌背后脫空、不密實專項整治方案

二次襯砌背后脫空整治方案設計時，首先應判斷：(1)脫空出現在二襯與防水板之間，還是出現在初支與防水板之間；(2)如脫空同時伴隨著襯砌厚度不足設計厚度的1/2，應視作襯砌厚度不足，進行處理。二次襯砌背后脫空采用注漿的方式進行處理，處理要點如下：

①對脫空和不密實范圍進行物探和鉆孔驗證，鉆孔驗證數據為主，確定準確位置及范圍。

②襯砌鉆孔、安裝孔口管。確定脫空和不密實范圍后，對相應部位進行鉆孔，注漿孔采用φ45～50mm鉆孔，交錯布置，布置間距為1.0m×1.0m，根據空洞位置判斷實際鉆孔深度是否刺破防水板；注漿時孔口設置φ32帶絲扣的孔口管，并用植筋膠錨固在注漿孔內。孔口和孔口管安裝示意圖如圖8所示。

③注漿。注漿前應進行吸水試驗，確定注漿參數。漿液配置采用M30微膨脹水泥砂漿，水灰比0.6∶1～1∶1，灰砂比1∶1～1∶2.5，襯砌背后注漿時隧道縱向應由下坡至上坡方向依次進行，采用逐漸加壓式注漿至最大壓力值0.2MPa，注漿速度20～40L/min。當空洞體積≤1.5m3時填充水泥砂漿，>1.5m3時填充C25細石砼。注漿過程，相鄰注漿孔應設置孔口塞，以免跑漿。

④注漿孔處理。注漿完成后，先鑿出10cm×10cm×8cm楔形孔，將孔清洗干凈后采用膨脹水泥砂漿封堵注漿孔，膠凝材料(水泥、膨脹劑和摻和料的總量)最少用量為350kg/m3，膨脹劑摻量不宜大于15%，不宜小于10%，水膠比不得大于0.5。注漿孔封堵示意圖如圖9所示。

圖8 二次襯砌背后注漿布置示意圖

圖9 二次襯砌背后注漿注漿管封堵示意圖

5 結語

隧道二次襯砌施工過程常常出現空洞、脫空、厚度不足等質量問題，地質雷達因其特有的無損、高效的特點在二襯缺陷檢測中廣泛引用。只有從初支源頭進行控制，加強二次襯砌澆筑質量，才能很好地預防二襯缺陷產生。注漿回填及鑿除植筋是處理二襯缺陷的常見方法，作業時必須加強過程控制，才能根治二襯質量問題，防止隧道病害的產生。