公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測及處理新技術(shù)

董兆剛

（中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100000）

在高速公路工程中，為了改善線路線形和克服高程，常采用隧道結(jié)構(gòu)的方式穿越山體，因此在我國高速公路網(wǎng)加密的進(jìn)程中，修建了大量的隧道工程[1-3]。盡管我國在隧道工程建設(shè)方面技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，但是由于隧道結(jié)構(gòu)仍然屬于隱蔽性工程，其修建過程受到施工環(huán)境、開挖過程、爆破作用、機(jī)械設(shè)備開挖能力等因素的限制，導(dǎo)致隧道在開挖過程中不可避免地存在超挖現(xiàn)象，同時在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作過程中如果存在回填不密實(shí)，造成初期支護(hù)襯砌脫空，初期支護(hù)表明平整度較差，防水板鋪設(shè)松弛，預(yù)埋管以及注漿回填不到位等，進(jìn)而導(dǎo)致二次襯砌的澆筑厚度不一、密實(shí)程度也存在差異，造成二次襯砌與初期支護(hù)脫空，拱頂位置受到的圍巖應(yīng)力相對于拱圈其他位置最大，因此對其二次襯砌質(zhì)量的檢測有利于提高公路工程襯砌結(jié)構(gòu)的使用年限和提出加固維修措施改善二次襯砌的結(jié)構(gòu)受力[4]。

1 地質(zhì)雷達(dá)法基本原理及在公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測中的應(yīng)用

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)法作為一種公路隧道的無損檢測方法，具有十分檢測高效、成本低廉、理論成熟以及具有圖像化成果等優(yōu)勢，在公路隧道健康監(jiān)測檢測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備一般由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理，而軟件部分則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算以及數(shù)據(jù)的解譯[5]。地質(zhì)雷達(dá)法的基本原理是通過硬件設(shè)備內(nèi)置的發(fā)射天線向道路內(nèi)部發(fā)射電磁波，電磁波遇到不同電性介質(zhì)的交界面后發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象，反射的電磁波能力被設(shè)備的接收天線接收，控制主機(jī)將電磁波信號轉(zhuǎn)化為電信號，將檢測信息數(shù)字化后存儲在設(shè)備存儲卡中，軟件設(shè)備可以隨時對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、瀏覽和處理。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在路面介質(zhì)中傳播主要服從麥克斯韋經(jīng)典電磁理論，如方程（1）～方程（4）所示。

其中，E 為電磁矢量，H 為磁場矢量，B 為磁感強(qiáng)度，D 為電感強(qiáng)度。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)法在公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)法在公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測中的應(yīng)用效果依賴于電磁波在隧道襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖層中的傳播效率以及各結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)差異[6]。傳播效率方面可以通過傳播系數(shù)進(jìn)行表示，地質(zhì)雷法設(shè)備發(fā)射的電磁波在隧道襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖層的傳播系數(shù)如下：

其中，w為電磁波相位，μ 路面結(jié)構(gòu)的泊松比，ε 為道路結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)，σ 為隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率。

本文以某高速公路二次襯砌拱頂背后脫空質(zhì)量檢測項目為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)法在確定隧道襯砌質(zhì)量、襯砌與圍巖接觸情況指標(biāo)中的應(yīng)用。

1.2.1 隧道二次襯砌層厚度檢測

公路隧道的各個襯砌結(jié)構(gòu)層的厚度主要通過地質(zhì)雷達(dá)采集的電磁波信號進(jìn)行解譯得到，如方程（6）所示。

其中，c 為光速，εr為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)，△t 為電磁波在各面層之間的傳播時間。

從公式（6）中可以知道，隧道襯砌結(jié)構(gòu)材料各層之間的相對介電常數(shù)差異是確定隧道襯砌各結(jié)構(gòu)層厚度的重要計算參數(shù)，因此，在試驗(yàn)之前需要對各個結(jié)構(gòu)層進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果如圖1 所示。從圖中可以看出，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)值越小，其在圖譜中的表現(xiàn)為越向純藍(lán)色靠近，三維效果上表現(xiàn)為下凹，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)值越大，其在圖譜中的表現(xiàn)為越向純紅色靠近，三維效果上表現(xiàn)為上突。

圖1 隧道初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)的圖譜

1.2.2 隧道拱頂二次襯砌結(jié)構(gòu)層的脫空的檢測

隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層在施工過程中由于超挖現(xiàn)象導(dǎo)致拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層與圍巖發(fā)生脫空現(xiàn)象，進(jìn)一步地導(dǎo)致隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層受荷載后斷裂[7]。這些不良影響也會影響到隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層運(yùn)營階段的使用效果。為此，采用地質(zhì)雷達(dá)法可以連續(xù)長距離地對隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層破損脫空情況進(jìn)行掃描。在地質(zhì)雷達(dá)的檢測過程中，如果電磁波遇到孔洞或者脫空時，介質(zhì)間的波阻抗差異導(dǎo)致反射的電磁波能量將明顯降低，在電磁波的時間域和頻率域均可以看到由于存在空洞和破碎導(dǎo)致的變化，波形上表現(xiàn)為不規(guī)則的雙曲線特征，且下方存在多次反射，具有可視化的圖像效果，如圖2 所示。而對于混凝土集料離析、襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足導(dǎo)致的脫空病害，容易形成電磁波信號的在各個結(jié)構(gòu)層之間的反射波能量較弱，導(dǎo)致波形錯亂，同相軸錯亂，圖像明暗程度也變化較大，在識別時可以與正常隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的電磁波反射信號進(jìn)行區(qū)別和圈定范圍。

圖2 隧道拱頂二次襯砌存在脫空現(xiàn)象的波形反映

2 基于有限元模擬的公路隧道二次襯砌拱頂脫空分析

由前文的分析可知，受到施工過程的諸多因素影響，隧道二次襯砌與初期支護(hù)之間容易出現(xiàn)接觸不緊密和脫空現(xiàn)象，改變了襯砌結(jié)構(gòu)體系的受力，如果沒有及時采取檢測措施對脫空位置的范圍進(jìn)行圈定，并采取有效的措施進(jìn)行整治，容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的破碎，甚至坍塌[8]。

為了更好地識別公路隧道二次襯砌拱頂脫空的電磁波響應(yīng)，以利于在地質(zhì)雷達(dá)波檢測數(shù)據(jù)對脫空位置的識別、提取和范圍的圈定，建立公路隧道拱頂二次襯砌脫空的有限元模型如圖3 所示。模型數(shù)值時，將隧道襯砌結(jié)構(gòu)的模型大小設(shè)定為3m 長，0.7m 厚，計算選用的電磁波波源為雷克子波，而發(fā)射頻率為850MHz，采用間隔為0.01m，為了提高對脫空空洞的識別，將模型的中的脫空范圍（尺寸）設(shè)定為80cm×8cm。

圖3 基于有限元模擬的公路隧道二次襯砌拱頂脫空模型

模型中，空洞內(nèi)考慮了無充填（空氣的介電常數(shù)為1.0，電導(dǎo)率為0s/m）和充填水（地下水的介電常數(shù)為81，電導(dǎo)率為0.01s/m）兩種工況。計算結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出，無論是二次襯砌脫空內(nèi)無充填還是充填地下水，在時間域內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)的電磁波響應(yīng)均呈現(xiàn)為明顯的雙曲線型，但地下水與空氣的電磁波響也可以相互區(qū)別，這是因?yàn)榈叵滤涂諝庵苯拥墓?jié)點(diǎn)常數(shù)和電導(dǎo)率均出現(xiàn)量級差異，因此電磁波在其中的傳播速率有所不同，在空氣中的傳播速率明顯大于在水中的傳播速率。因此表現(xiàn)在時間域的電磁波圖像上，空氣中的電磁波雙曲線頂點(diǎn)的初至?xí)r間更小，而地下水充填模型的電磁波雙曲線頂點(diǎn)的初至?xí)r間較大。另外，在波形上也不一致，無充填和地下水充填脫空模型的電磁波相位相反，且地下水充填脫空模型的電磁波存在二次反射現(xiàn)象。對時間域內(nèi)的單道電磁波進(jìn)行抽取（如圖4（b）、圖4（c）所示），以可以看出明細(xì)的二次反射現(xiàn)象。

圖4 基于有限元模擬的公路隧道二次襯砌拱頂脫空分析結(jié)果

3 地質(zhì)雷達(dá)法檢測公路隧道二襯拱頂背后脫空的應(yīng)用效果

本文采用的地質(zhì)雷達(dá)測試儀器為LTDsample-2000型地質(zhì)雷達(dá)，發(fā)射天線為400MHz，天線設(shè)備的尺寸為32cm×32cm×21cm，探測深度范圍為0.1～3.0m，厚度的監(jiān)測誤差小于10%，可連續(xù)記錄8192 點(diǎn)，逐點(diǎn)測量，可提供偽彩圖和堆積波圖等。在采集數(shù)據(jù)完成后，首先對數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將采集壞道和信號不良道，采取方向調(diào)整、中間道均衡以及合并、刪除等措施進(jìn)行預(yù)處理，對于接觸不良導(dǎo)致的高度誤差，采取零點(diǎn)校正手段對反射波的起始零點(diǎn)進(jìn)行校正，由于在測試的過程中，儀器設(shè)備受到周邊環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)信號受到干擾，在揭示的過程中噪聲電磁波信號影響了有效信號的解譯，因此可以采取軟件內(nèi)嵌的濾波功能進(jìn)行數(shù)字濾波進(jìn)行噪聲消除，提高信噪比。在分析和處理電磁波數(shù)據(jù)時，常常遇到波形的垂直分辨率不足的問題，導(dǎo)致隧道拱頂二次襯砌脫空的反射截面不清晰，影響有效信號或者波形同相軸的追蹤，因此，在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理時候可以反褶積的數(shù)學(xué)處理方法提高電磁波的垂直分辨率，極大地提高了解譯的成功率，有利于讀取反射波的到達(dá)時間。

在某高速公路二次襯砌拱頂背后脫空質(zhì)量檢測項目中，依據(jù)數(shù)值模擬成果，采用地質(zhì)雷達(dá)法對隧道拱頂?shù)亩我r砌脫空進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，對其脫空現(xiàn)象的電磁波特征進(jìn)行識別和提取，并圈定范圍，采用現(xiàn)場鉆孔驗(yàn)證的方法驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)法的準(zhǔn)確率，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 地質(zhì)雷達(dá)儀器檢測隧道拱頂二次襯砌結(jié)構(gòu)脫空誤差平均值

4 結(jié)論

依托實(shí)際隧道工程檢測項目，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法對隧道拱頂?shù)亩我r砌背后脫空進(jìn)行檢測，得到以下幾個結(jié)論：

4.1 由于隧道初期支護(hù)、二次襯砌、脫空內(nèi)充填物（空氣或水）與圍巖體之間存在著明顯的物性差異，其介電常數(shù)的差異為地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用于隧道拱頂二次襯砌背后脫空的檢測提供了良好的物理基礎(chǔ)。

4.2 當(dāng)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)與初期支護(hù)之間存在脫空現(xiàn)象時，無論是充填空氣或者充填水分，其地質(zhì)雷達(dá)電磁波的波形將出現(xiàn)顯著的響應(yīng)，在時間域上表現(xiàn)為明顯的拋物線型。

4.3 通過建立隧道拱頂二次襯砌結(jié)構(gòu)孔洞的有限元分析模型，研究結(jié)果表明，電磁波的波形出現(xiàn)明顯的拋物線型，無充填和地下水充填脫空模型的電磁波相位相反，地下水充填脫空模型的電磁波存在多次反射現(xiàn)象，這些特征為隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)脫空現(xiàn)象的識別、檢測數(shù)據(jù)的提取和處理、圈定脫空范圍提供了依據(jù)。