鐵路隧道襯砌致災病害的綜合檢測方法探討

李 星 王樹棟 牟元存

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

近年來，我國每年建成的鐵路隧道數量呈快速增長趨勢。據統計， 至2018年底，我國已建成運營的鐵路隧道有15 117座，其中高速鐵路隧道3 000余座[1-2]。隨著大量鐵路隧道的開通運營，鐵路隧道災害的發生數量也不可避免地逐漸增多，鐵路隧道的運營防災問題越來越受到社會各界的高度關注和重視。隧道災害發生后，若不能及時準確地對災后隧道進行病害調查，則極有可能在恢復運營后產生更加嚴重的二次災害。因此，對鐵路隧道進行病害調查、檢測及整治是災后恢復運營前必不可少的工作。

1 鐵路隧道運營期病害統計

由于在環境及結構上的特殊性，鐵路隧道一旦發生事故，后果可能相當嚴重。文獻[3]收集了80余起國內外鐵路隧道運營期的事故案例。其中發生災害較多的國家及地區有中國(24例)、英國(15例)、日本(10例)、法國(5例)、英法海峽隧道(7例)等。發生災害的主要類型有火災(43例)、列車脫軌(15例)、列車碰撞(9例)、列車停車(7例)、隧道襯砌混凝土剝落(6例)、炸彈爆炸(2例)、設施脫落(1例)等。這些災害事故共造成 1 086人死亡、2 357人受傷，導致行車中斷 14 396 h，造成的經濟損失更是無法估量。

隧道火災、列車脫軌、列車碰撞、襯砌剝落及設施脫落為目前鐵路隧道運營過程中需防范的重點[4]。同時，隧道災害會對鐵路隧道襯砌、道床、軌道及其他附屬設施造成損壞，包括襯砌脫落、襯砌強度下降、襯砌裂縫、道床及軌道損壞、附屬設施損壞等。

隧道內既有隱伏病害是造成鐵路隧道災害發生的重要因素。分析我國近年來運營隧道發生的襯砌剝落事件可知，隧道襯砌剝落處往往存在襯砌厚度不足、襯砌背后脫空等襯砌施工質量缺陷。隨著時間的推移，這些施工時遺留下的隱伏病害最終可能導致隧道襯砌結構失穩破壞，造成運營期的隧道災害。

2 鐵路隧道的病害檢測與評估

地震、水害、火災等常見災害造成的隧道結構表觀損傷主要有凈空侵限、開裂、滲漏水、掉塊等，內在損傷主要有結構混凝土強度降低、背后脫空、鋼架扭曲變形等。針對災后隧道結構出現的損傷，必須建立表觀與物探相結合的快速檢測方法和健康狀態的檢測快速評估體系，才能及時、合理地確定災后隧道結構的修復和整治措施。鐵路隧道的災害檢測方法，按檢測原理的不同可分為物探檢測方法和非物探檢測方法，按對檢測對象損害與否可分為無損檢測方法和破損性檢測方法。不同的檢測方法有各自不同的優缺點與適用性，在災害檢測中利用多種檢測方法進行綜合檢測，才能徹底調查清楚鐵路隧道內的災害分布，為隧道整治提供有效依據。

2.1 物探法檢測

2.1.1地質雷達法

地質雷達法是通過發射高頻電磁波，檢測反射回來的信號來判斷隧道襯砌質量的一種普遍使用的隧道襯砌缺陷檢測方法。經過多年的發展，已成為了成熟、便捷的襯砌檢測方法。地質雷達法檢測設備一般由主機、連接線及天線組成，檢測時僅需將天線緊貼襯砌表面沿檢測測線方向移動即可。利用地質雷達對隧道襯砌進行檢測，可調查隧道襯砌及仰拱的密實情況、空洞分布、厚度及鋼筋分布等參數[5]。

(1)地質雷達對隧道混凝土密實度的檢測

澆筑隧道混凝土構件時，必須對混凝土進行振搗，消除混凝土中的氣泡，提高其密實度。若混凝土振搗不到位或混凝土中摻雜了其他雜質、異物，則會導致隧道混凝土不密實，此時雷達剖面上會出現不規則的強反射，如圖1所示。

圖1 混凝土內不密實缺陷的雷達剖面圖

(2)地質雷達對隧道襯砌空洞的檢測

隧道施工過程中，若拱頂混凝土澆筑未灌滿或襯砌背后回填注漿不到位，則極易造成隧道襯砌混凝土出現脫空或空洞。此時雷達剖面會出現明顯的強反射信號，三振相(瞬時相位頻率振幅)明顯發生變化，如圖2所示。

圖2 混凝土中脫空的典型雷達剖面圖

需要注意的是，當襯砌內部的鋼筋背后存在脫空時，脫空在雷達剖面中的反射會被鋼筋層的反射嚴重干擾(如圖3所示)。此時僅能從振幅強度與微弱的反射界面來辨識脫空的存在，且很難定量判定。

圖3 鋼筋混凝土背后脫空的雷達剖面圖

(3)地質雷達對隧道鋼筋、鋼架分布的檢測

襯砌內部鋼筋的雷達響應判定特征為連續的小雙曲線形反射信號。鋼架的雷達響應判定特征為分散的月牙型強反射信號。根據以上的響應特征，可通過雷達檢測剖面(如圖4、圖5所示)來判識鋼筋與鋼架的位置分布，有效檢查施工中是否按照設計要求布設鋼筋與鋼架。

圖4 鋼拱架在雷達剖面中的響應圖像

圖5 鋼筋在雷達剖面中的響應圖像

(4)地質雷達對隧道襯砌厚度的檢測

若隧道開挖過程中存在欠挖或未嚴格按要求復測隧道初支凈空侵限等情況，則會導致隧道襯砌厚度不滿足設計厚度要求。此時，地質雷達檢測剖面中的襯砌厚度會出現明顯的減小(如圖6所示)。

圖6 隧道襯砌厚度不足的雷達剖面圖

綜上所述，利用地質雷達可檢測隧道襯砌背后的脫空、密實度、鋼筋分布及襯砌厚度等參數，且該方法具有檢測效率高、圖像直觀等優點，在隧道襯砌質量檢測中被廣泛應用，并有大量的成功案例。但由于地質雷達是一種使用電磁波探測的方法，因此鋼筋屏蔽對雷達檢測的結果影響較大，在鋼筋混凝土襯砌中，雷達檢測的分辨率會大幅下降，甚至基本無法精確定量解釋判識。

2.1.2回彈法

回彈法作為一種非破損簡單便捷的測定混凝土強度的檢測方法，被普遍應用于評價混凝土的抗壓強度。該方法將設備內的重錘垂直彈向測試混凝土表面，通過測定重錘回彈距離來判定混凝土的強度。

回彈法僅能檢測構件表面的抗壓強度，并需有相同環境、相同條件下的對照數據庫，當受試件表面碳化影響較大時，還需進行碳化深度修正。因此，回彈法檢測混凝土抗壓強度的精度較低，準確判定混凝土的抗壓強度還需進行取芯試驗。

2.1.3沖擊回波法

沖擊回波法是在測試構件表面以沖擊方式產生瞬態沖擊彈性波，接收沖擊彈性波型號，通過分析接收信號波速、波形和主頻等參數的變化來判斷混凝土構件的厚度或內部缺陷的方法。其檢測原理如圖7所示。

圖7 沖擊回波檢測原理圖

沖擊回波在介質中傳播，當遇到界面或缺陷時，彈性波的頻率會發生改變，通過分析這種變化即可判定混凝土的厚度及內部缺陷情況。利用沖擊回波法檢測混凝土厚度與內部缺陷時，可分別根據實測頻域曲線主頻和主頻漂移情況來判定。

(1)沖擊回波法對混凝土厚度的檢測

當測得的沖擊回波頻率峰值出現明顯連續的低頻漂移，并低于無缺陷構件的頻率峰值時，可判定混凝土出現了欠厚現象(如圖8所示)，具體測試厚度可按式(1)計算。

(1)

式中：T——結構構件的厚度值(m)；

vp——混凝土的表觀波速(m/s)；

F——檢測結果的頻率波峰值(Hz)。

圖8 混凝土厚度不足的沖擊回撥檢測結果圖

(2)沖擊回波法對混凝土內部缺陷的檢測

當測得的沖擊回波頻率峰值出現突然的低頻突變或同時出現另一個高頻峰值f時，可判定混凝土內部存在不密實、空洞等缺陷(如圖9所示)，具體缺陷情況可根據主頻漂移的幅度進行判定。

圖9 混凝土內部缺陷的沖擊回撥檢測結果圖

沖擊回波法作為一種利用彈性波的無損檢測方法，不受混凝土內部鋼結構的影響，可有效彌補地質雷達法受鋼筋屏蔽作用影響的缺陷。但由于其為頻率域檢測方法，分辨率和準確程度都不是很高，對于混凝土內部缺陷往往也只能定性判斷，無法定量判識。

2.1.4超聲探測法

超聲探測法是通過接收發射的超聲脈沖，并接收分析信號的聲速、頻率、波幅來判斷混凝土內部缺陷的一種無損檢測方法。超聲法可檢測混凝土內部的空洞、離析以及混凝土裂縫的深度。由于超聲波頻率較高，因此相較于其他無損檢測方法，超聲探測法的分辨率也較高，當接收波形、走時、振幅、頻率出現明顯的衰減時，即可判斷缺陷的存在。

2.1.5電磁感應鋼筋探測法

電磁感應鋼筋探測法是通過向混凝土內部發射電磁波，通過設備接收鋼筋產生的二次感應磁場，分析感應磁場的脈沖強度來判斷混凝土中鋼筋位置及保護層厚度的一種檢測方法。通過鋼筋檢測儀在構件表面掃描，可直接讀取構件內部的鋼筋位置、直徑和鋼筋保護層厚度。

電磁感應鋼筋探測法的分辨率較高，誤差一般為2～5 mm，可較為準確地判斷鋼筋的位置和保護層厚度，同時不受鋼筋周圍介質性質的影響。但其受周邊鋼筋及網格狀鋼筋的影響較大，且該方法僅能檢測 10 cm埋深內的鋼筋，在鐵路隧道檢測中僅適用于道床板鋼筋的檢測。隧道襯砌的鋼筋埋深較大，無法使用電磁感應鋼筋檢測儀進行檢測。

2.2 非物探法檢測

2.2.1表觀檢測[6-7]

隧道表面裂縫、滲漏水、缺角掉塊等病害直接用肉眼觀察即可進行直觀判定。傳統的表觀檢測方法為通過目視、敲擊與拍照，對病害主要指標進行檢測(如裂縫長度、寬度)并做好記錄。隨著光學、工業技術和人工智能技術的發展，如今可利用車載高清攝像頭對隧道進行表觀連續拍攝，再通過工業計算機進行圖像病害識別提取和病害信息分析，并自動形成檢測結果。引入高清攝像和自動識別技術，可大幅提高表觀檢測效率與檢測準確性。

2.2.2鉆芯法

(1)利用鉆芯法進行混凝土抗壓強度檢測

鉆芯法是確定混凝土抗壓強度最直觀、最準確的方法，通過鉆芯取樣和實驗，可直接獲得芯樣的抗壓強度。但鉆芯法獲得的抗壓強度僅代表所取樣本的抗壓強度，若要通過鉆芯法查明整座隧道的混凝土強度，不僅工作量巨大，還會對隧道結構造成破壞。因此，鉆芯取樣一般布置于已發現病害區域范圍內，用以對病害進行確認。

(2)利用鉆芯法進行脫空注漿效果檢測

對于隧道襯砌脫空，工程上一般采用注漿處理，若注漿體與原襯砌混凝土結合不佳，則注漿體會像一塊巨大的孤石壓在原襯砌之上，成為隧道更大的安全隱患。由于注漿所用砂漿與原始混凝土的成份始終存在差異，無論是其密度還是其介電常數均有所不同，因此，地質雷達法或彈性波法的檢測剖面均會存在反射現象，無法判斷注漿體與原始襯砌是否存在不密貼的情況。此時，鉆芯法便是判斷注漿體與原始襯砌是否密貼的唯一有效方法。小孔鉆芯后，可通過所取芯樣對注漿是否密實進行判斷，同時還可利用內窺鏡通過鉆芯孔對注漿效果進行復查。

2.2.3激光斷面掃描法[8-11]

三維激光掃描是近年來在工程中廣泛應用的高新技術，較傳統的測量手段，作業效率更高，人工工作量更少，測量精度更可靠，信息化程度更高，是進行隧道斷面凈空檢測和沉降檢測的一大利器。

三維激光掃描可分為移動式車載測量和地面架站式三維激光掃描，其中車載式三維激光掃描非常適合運營隧道的檢測工作。相較于架設全站儀斷面測量，三維激光掃描可快速、便捷地獲取隧道表面掉塊、裂縫及滲漏水等病害狀態，同時還可快速獲得檢測段落連續的隧道凈空和橫斷面圖，為隧道后續加固、整治工作提供精確的數據支撐。

2.3 災后病害的綜合檢測系統

目前，國外已有廠家研發出了集成多種檢測設備的綜合檢測系統，如日本WALNUT株式會社研發的隧道綜合檢測車載系統。該系統可搭載在普通平板列車上，不需特殊的交通管制，可一邊行駛一邊測量。通過其搭載的非接觸式空氣耦合雷達檢測系統(MRS)、高清隧道表面攝像系統(MIS)和三維移動式激光掃描系統(MMS)3套檢測系統，可快速地對隧道襯砌表面進行高清攝影，對隧道斷面進行三維激光掃描，對隧道襯砌背后的空洞和不密實情況進行檢測。其中，非接觸式空氣耦合雷達檢測系統可有效避免鐵路隧道接觸網及通風系統的對普通接觸式雷達檢測的影響，以70 km/h的速度連續檢測。

綜上，隧道車載綜合檢測系統可作為一種有效的隧道病害普查工具，與鐵路隧道的定期檢查一起實施，大幅提高檢查精度，降低檢測成本。

如今，國內亦有企業及科研院校對隧道綜合檢測系統進行開發，如西南交通大學研發的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法與裝置等，但尚無可大面積商用的綜合檢測車載產品問世。

3 隧道襯砌病害的綜合檢測

不同的隧道襯砌病害類型應采用不同的檢測方法，不同的檢測方法對不同的病害類型又有不同的檢測效果，各類隧道病害檢測方法如表1所示。

表1 各類隧道病害檢測方法表

在隧道檢測中，合理選擇檢測方法是提高檢測效率的重要手段。使用綜合檢測手段，針對隧道的具體情況選取合適的方法進行檢測，能夠高效解決現場實際問題。檢測可分為以下4個階段。

(1)第一階段

進行隧道勘察設計資料及建設期施工資料的調查分析。通過該階段可了解隧道的水文地質條件和建設、設計、施工與竣工資料，初步判斷可能出現缺陷的原因、段落等。

(2)第二階段

進行隧道病害的普查工作。利用三維激光掃描和表觀檢測手段，調查隧道中的襯砌裂縫、仰拱沉降起伏、道床開裂、隧道滲漏水等情況。利用地質雷達法、回彈法、電磁感應鋼筋探測法等檢測手段，調查隧道混凝土強度、襯砌背后的脫空及密實度、隧道及道床內鋼筋的分布情況等。

(3)第三階段

針對第二階段發現的缺陷，選用其他無損方法進行檢測確認，如用沖擊回撥法對地質雷達法發現的襯砌后缺陷進行確認，架設全站儀對激光斷面掃描法發現的斷面凈空異常進行斷面測量確認等。

(4)第四階段

梳理發現的缺陷，篩選出需要進一步調查的嚴重缺陷，采用鉆芯法或超聲探測法進行詳細檢測，為缺陷治理提供詳細的依據。

4 結束語

在隧道檢測中，合理選擇檢測方法是提高檢測效率的重要手段。鐵路隧道的病害檢測有不同的分類方法。按檢測原理不同可分為圖像識別檢測技術、物探檢測技術和鉆芯法檢測技術，按對檢測對象損害與否可分為無損檢測方法和破損性檢測方法，不同的檢測方法有各自不同的優缺點與適用性。通過在勘察設計期、建設期及運營期等不同階段，使用綜合檢測手段，針對性地選擇合適的檢測手段對隧道病害進行檢測，可為隧道的病害治理提供有力依據。