地質雷達在隧道二次襯砌質量檢測中的應用

饒 健，李 劍，洪俊勇

（浙江交工交通科技發展有限公司，浙江 杭州 311100）

我國客運交通行業的迅速發展，公路、鐵路隧道建設數量增多，但隧道二次襯砌質量問題也隨之而來。為實現對二襯質量的全方位探查與檢測，預防、控制質量缺陷，規避病害對隧道使用安全的威脅，需采取可靠的技術手段，著手于二襯質量的檢測工作。而地質雷達檢測技術表現出無損、快速、連續檢測的優勢，并將探測結果以實時成像的方式進行顯示，增強檢測數據的直觀性，現如今，被廣泛應用于隧道二襯質量檢測工程中。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達檢測技術具備連續、高效、非接觸檢測優勢，通過釋放電磁波實現對二襯整體情況數據信息的采集，并以圖像的形式加以反饋，圖像分辨率高，為作業人員二襯內部整體狀態的把控提供可視化數據支持。電磁波傳播過程中，會受介質幾何形態與電性質的影響，使波形、傳播路徑、地磁場強度發生改變。這就需要技術人員采集、匯總、分析接收到的各類檢測信息，包括波形、幅度、發送與回傳時間等，以此為依據，對二次襯砌中介質的分布情況進行推斷。

地質雷達構成主要有兩部分，即電磁波接收與發射。其中，發射模塊的組成包括向外輻射電磁波天線與能夠產生高頻沖波的發射機，按照60°～90°波束角將天線電磁波發射至二次襯砌中，當電磁波傳播期間存在電性分界面，會發生反射。

由于地質雷達規格不同，使得電磁波傳播速度與波長也不同，但同一種探測雷達的收發距一致且無法改變。如果探測過程中，始終在相同介質中傳播，電磁波的波速也不會發生變化。對此，實際檢測時，只需準確記錄電磁波發射與接收間隔時長，便可推算出二襯深度。同時，當接收與發射天線在物體表面逐點同步移動時，能夠將二襯內部介質剖面圖直觀地呈現于地質雷達顯示屏上。

2 隧道二襯質量檢測中地質雷達的實際運用

2.1 工程概況

某高速公路隧道工程某隧道右幅起始里程為YK5+210，終止里程為YK6+872，隧道右幅長度約為1 662 m，為單向三車道隧道。隧道設計行車速度為100 km/h，隧道斷面扁平，隧道凈寬14.75 m、凈高5.0 m。隧道襯砌結構按新奧法原理，采用復合式支護結構形式。初期支護以錨桿、鋼筋網、噴射混凝土及鋼拱架組成聯合支護體系，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結構，初期支護與二次襯砌結構之間設防水排水夾層。

2.2 現場檢測

在對二襯質量進行檢測時，使用的地質雷達型號為勞雷SIR-30e，搭配屏蔽天線，設備操作時，天線要緊貼襯砌表面，并順著測線移動，在此期間，嚴禁出現停頓。

深入調查工程實際情況，依據二襯質量要求，從多維度包括穩定性、穿透深度、分辨率，對選用天線的型號進行考慮，最終決定配置900 MHz屏蔽天線。此外，經整合前期工程探測結果，了解目標物規格后，再依據探測深度，將時窗深度設置為20 ns，同時，將采樣點數設置為512個，采用時間測量方法進行檢測作業。完成準備工作后，需立即執行測線布置工作，參照測試要求，以隧道縱向為基準，連續性布置5條雷達測線，布設位置為左右邊墻、左右拱腰、拱頂。

現場檢測具體流程如下：首先，作業執行前，需按照每10 m的標準沿隧道邊墻做標記，同時，還應以50 m為基準布設清晰標識，組織施工人員全方位清掃隧道，并正確安置工作臺架，如襯砌臺車等，準備工作的有序落實可增強點位布置準確性。其次，波速標定。介質的介電常數會影響電磁波傳播速度，對此，需保證介電常數選擇的合理性，確保目標體深度測量結果準確性。二襯檢測期間，波速標定的位置為隧道大里程洞口電纜槽厚度可測區域，最終得到的介電常數為7.87，波速數據為10.69 cm/ns。最后，檢測過程中，工作人員需嚴格按照規范操控設備，并做好記錄，包括標記間隔、里程樁號、測線位置等。為保證檢測作業秩序進行，還需加強現場協調，合理、明確分工，如車輛調度等輔助性工作以及天線數據采集關鍵性作業。

2.3 檢測數據分析

2.3.1 分析流程

匯總由地質雷達檢測到的各項數據，安排技術人員預處理數據文件，通過運行配套軟件Radan7，實現對數據的解釋與翻譯。數據處理時，應先明確時間零點，為保證數據直觀，還需去除多余背景圖像，緊接著執行帶通濾波作業，偏移歸位后開展2D交互式解釋工作。

傳播介質的變化，會導致電磁波非正常反射，同時，也會明顯改變電磁波頻譜特征、振幅等數據。各類變化的存在將直觀地呈現于電磁波連續測線構成的灰度圖中。細致、全面分析檢測數據，該工程二襯質量問題部位共有397處，其中，脫空146處、厚度不足173處、密度度差78處。

2.3.2 質量缺陷

結合檢測到的各類質量性問題，對各缺陷進行判釋，要點如下：①空洞與脫空。地質雷達圖像顯示檢測到的空洞為孤立體信號，襯砌界面反射信號強，三振相明顯，且在襯砌的下方存在強反射界面信號，兩組信號有較大時差。而地質雷達檢測出的脫空問題為多次反射，電磁波同相軸呈弧形，相位與相鄰道未搭接在一起，振幅增強現象顯著。②密實度差。地質雷達圖像顯示，二襯凌亂，且非連續性、強反射能量團塊狀異常，反饋回的電磁波波形也呈現出雜亂特征，同相軸錯斷。③厚度不足。在判斷二襯厚度是否滿足行業標準時，主要依據二襯和初支噴射混凝土交界面進行確定。通常來說，二襯混凝土與噴射混凝土在電性參數方面的差值較小，若不能保證二者接觸良好，很難獲得明顯反射波，或只可觀察到微弱反射波。對此，判斷交界面時，所選用的參照物應為噴射混凝土中格柵鋼拱架、初支鋼架上表面或二襯混凝土第二列鋼筋網下表面。在此期間，若同時存在二襯混凝土脫空問題，也可以將空氣層上表面作為參照物進行判斷。

3 二次襯砌質量問題產生原因及整治

3.1 二次襯砌脫空問題

3.1.1 脫空原因

二襯脫空現象產生原因主要表現在三方面：其一，初支噴射混凝土施工質量未達標。由于初支光爆效果較差，且開挖面不具備良好平整性，提高超挖問題發生概率，且在混凝土噴射過程中，常出現超挖使用回填材料不當、噴射厚度不足等問題，無法保證圍巖表面坑洞的完全填充。此外格柵拱架、初支鋼架與后方接觸物未密實回填，導致初期支護與二襯密貼程度不足，從而引發脫空問題。其二，防水板鋪設質量差。若不能有效保證初期支護表面平整性，極有可能使防水板過緊鋪掛，降低其與初支面的密貼程度。當開展二襯混凝土澆筑作業時，受到防水板阻隔無法將混凝土填充至初支表面坑洞內，形成二襯背后脫空。其三，未嚴格按照規范控制二襯混凝土澆筑工藝。若混凝土配比不科學或攪拌不充分，會增大混凝土收縮風險；襯砌臺車剛度不夠、支撐不牢、脫模作業過早執行等，會引發二襯混凝土明顯下沉；混凝土不具備良好流動性、泵送角度不合理、泵送混凝土壓力不足等注漿工藝質量問題的存在，極易造成二襯脫空現象。

3.1.2 整治措施

制定二次襯砌背后脫空整治措施時，工作人員應結合地質雷達接收到的檢測結果對二襯內部實際情況進行判斷。著重關注兩項內容：脫空問題具體位置。通常有兩種情況即位于初支與防水板之間、位于二襯與防水板之間。此外，考慮二襯厚度問題。若脫空同時伴隨襯砌厚度未達到設計厚度的50%，則應將其劃入到二襯厚度不足問題中進行處理，并按照相應的處理原則與方案執行，確保施工質量。脫空整治要點如下：

其一，利用地質雷達對脫空實際情況進行探測，還需搭配探測儀器對脫空區域面積進行物探與鉆孔驗證，將鉆孔驗證數據作為依據，結合電磁波反饋回的圖像，確定脫空具體位置。

其二，襯砌鉆孔、安裝孔口管。了解到脫空位置以及面積后，需在第一時間組織專業人員對相應部位進行鉆孔，注漿孔直徑為5 cm，交錯排列，孔道設計間距為1 m。結合孔洞布設情況，對鉆孔作業是否損壞防水板進行判斷，同時，還需安裝直徑為3 cm的帶絲扣孔口管，并使用植筋膠將其固定于注漿孔管內，以保證注漿作業有序進行。

其三，注漿。施工前，需組織吸水試驗，以此明確注漿參數。在配制漿液時，混合M30微膨脹水泥砂漿，其中灰泥比為1∶1～1∶2.5、水灰比為0.6∶1～1∶1。注漿時，沿著隧道縱向進行，并遵循“由下坡至上坡”澆筑原則，通過逐漸加壓的方法，將最大壓力值調整至0.2 MPa，灌注速度應維持在30L/min左右。在此期間，若孔洞體積小于1.5 m3，則應灌注水泥砂漿，如果體積大于這一參數值，則應澆筑C25細石砼。

其四，注漿孔處理。完成注漿作業后，應先鑿10 cm×10 cm×8 cm楔形孔，還需做好孔洞以及孔口的清洗工作，再使用膨脹水泥砂漿封堵注漿孔，對封口處進行仔細檢查，確保封堵壓密性。同時，為保證封堵位置長時間保持良好狀態，需混合適量膠凝材料，如膨脹劑、水泥等，用量不少于350 kg/m3，而膨脹劑混合量應大于10%。

3.2 二次襯砌厚度不足

3.2.1 厚度不足原因

導致二襯厚度不足的原因通常有五點：①未深度剖析隧道內部整體情況，便組織作業人員執行測量放線工作，缺乏科學性，最終影響放線精確度。若以這一標準為依據開展爆破工作，則無法達到理想中爆破效果，甚至會破壞隧道二次襯砌。而塌落的圍巖將阻礙二襯質量檢測工作的執行；②未預留足夠的變形量，或圍巖變形量過大；③初支噴射混凝土部分區域的噴射厚度遠超出設計厚度，而在組織二襯施工活動前，沒有對混凝土過厚部位進行處理，影響該位置的二襯施工效果，導致厚度不足；④如果二襯背部存在脫空問題，會提高二襯厚度不足概率；⑤安排作業人員處理塌方問題時，沒有針對性地處理一些突出巖石，同時也忽視對初支拱架的處理，引發二襯厚度不足問題。

3.2.2 厚度不足整治

針對二襯厚度不足問題設計整治方案時，要求工作人員能夠準確區分厚度不足成因，通過對上述問題產生原因進行分析，可將其歸類為兩種，分別為由脫空問題造成的厚度不足、圍巖開挖不科學或不到位導致二襯厚度不足。對此，在制定整治措施時，應站在兩個角度加以考量，并嚴格遵循五項基本原則：

其一，若二襯厚度超過最初設計時厚度的90%，但襯砌表面沒有裂縫或損壞現象，應堅持跟蹤監測、觀察處理原則。其二，二襯厚度在設計厚度80%～90%范圍內，且缺陷部位布設的測線長度不大于2 m，襯砌表面完好，也可采取全方位、全過程監測手段。在此期間，若使用地質雷達檢測到拱部140°區間內有3條以上的測線二襯厚度均在這一范圍，則需對該部位的混凝土進行處理，先去除二襯舊混凝土，再將鋼筋放置到處理部位，重新組織混凝土澆筑施工，直至該區域二襯厚度達到設計標準；但若檢測到二次襯砌有缺陷，且該部位測線長度超過2 m，也應采取相同措施加以改善。其三，二襯厚度低于二襯厚度80%，在對二次襯砌表面進行檢查時，有較為明顯裂縫或損壞，則需按照鑿除、植筋、重筑的流程處理缺陷位置混凝土。其四，若待處理二襯邊緣部位與隧道環向施工縫彼此間的距離未超過1 m，需對該范圍內的二襯混凝土做全部鑿除處理，在此期間，應保證拱部襯砌處理寬度始終大于0.5 m。

針對素混凝土拱部140°范圍內的二襯進行拆換時，對照的處理流程如下：首先，借助地質雷達檢測脫空部位的鉆孔情況，整合、分析檢測數據，以此確定二襯厚度不足及待處理區。其次，為保證拆換工作秩序、安全進行，需做臨時支撐處理，選用的支撐結構為拱墻鋼架，緊接著開展該區域內拱部140°襯砌混凝土的拆除工作，并對存在的施工縫進行科學、有效處理，安排專業人員檢查、驗收拆除處理工程質量。最后，驗收達標后，組織開展防水材料鋪設工作，植入鋼筋，每一項工作完成后均需進行檢查與驗收，為后續二襯混凝土澆筑以及回填灌漿作業順利執行創設良好條件。

4 結束語

為保證隧道二襯質量達到行業標準，增強隧道運行安全性，就需科學應用地質雷達檢測技術，為二襯施工與質量控制提供可視化數據支持。但為發揮出技術應用價值，獲得預期檢測效果，要求工作人員明確技術檢測原理，掌握技術操作流程，依托于實際工況，開展現場檢測、檢測結果分析工作，以此發現二襯質量問題，并采取針對性處理措施，提高隧道工程建設水平。