利用地質雷達無損測量隧道襯砌質量與缺陷

盛海洋,王 超,黃繼輝,徐行軍

（福建船政交通職業學院,福建 福州 350007）

0 引言

公路隧洞由于各種因素在運營很久后，會不同程度地產生表面裂縫、滲漏水等病害，這類病害多是由于隧道潛在的施工技術問題所造成的，如模筑襯砌厚度不夠、模筑襯砌后出現空隙或回填不嚴密等。而以往的施工質量檢測通常采用鉆孔取芯或開挖取樣等破壞性方法，這對防水條件十分嚴密的隧洞施工十分不利。由于隧洞屬于隱蔽性工程施工，所以必須用合理、快捷、無損的先進檢測技術和儀器設備加以檢測。目前地質雷達無損檢測技術具有使用成本低、操作方便、檢測精度高、易于操作等優點，已成為公路隧道質量和病害檢測的首選。

該文根據福建省某公路隧道存在的病害問題開展了無損檢測，對隧道的模筑襯砌結構缺陷病害進行了原因剖析，對地質雷達檢測結果進行解譯判識與總結分析，為國內隧道模筑襯砌質量檢驗工作提供了實踐經驗。

1 檢測依據與原理及襯砌缺陷

1.1 檢測依據

檢驗標準主要依據為公路工程施工質量檢驗和評定標準，第一卷為土建工程標準（JTG F80/1—2017）[1]；公路養護安全作業規程（JTG H30—2015）[2]；福建省公路隧道地質雷達檢測技術規程[3]；混凝土結構工程施工質量驗收規范（GB50204—2015）[4]等主要技術法規、標準、設計文件、檢測合同，以及相關研究論文、文件材料等。

1.2 檢測原理

地質雷達基本原理就是通過輻射天線向地面發出的高頻電磁波，當電磁波在地面穿行時，一旦碰到兩種截然不同地層分界，就會產生不一樣的地球物理現象。電磁波在通過不同土壤或地面電性邊界時，部分電磁波在折射效應下會不斷地向另一個邊界進行傳播，而另一部分電磁波則會被邊界反射回到地表，而反射后回到地表上的電磁波也可以被地面天線所接收，并記錄在地質雷達的主機系統內。另外，電磁波的傳遞會經過多次反射和折射，但唯有當電磁波的能量全部被地層邊界所吸引，這種電磁波在邊界穿梭工作過程中發生的折射和反射現象才會徹底消失。一般來說，由于電磁波的傳播路徑、電場強度、波速，以及電性和折射電磁波的能力在不同地層中往往會表現出不同測量參數差異，電磁波在不同地層條件下穿越進程中，回收的電磁波頻段有所不同，因此工作人員可以對發射和接收的電磁波進行比較，并運用時差原理來分析電磁波參數，這樣就能精確地判斷地表以下的地層情況。同時，工程技術人員可以將傳送回來的電磁波參數加以處理與運算，并按照檢測數值繪成圖像，施工和檢測人員可結合現場地層情況與有關資料，來具體確定地層內部的空間結構和構造特點，對隧道內混凝土襯砌質量做出分析評估。

1.3 襯砌缺陷

在剖面圖上所顯示出來的各種測線信息可以表示各種的地下施工情況。用于隧道襯砌檢查一般分為以下幾個檢測信號：反射信息較弱且持續的為密實部位；反射信號中體現為強反射且雜亂的區域狀況為欠實情況；反射信號中體現為強反射且呈長條帶的三角狀況則為空洞或彎沉情況；反射信號中持續且有序的雙月牙形強反射狀況為鋼筋網，而單月牙反射狀況則為鋼筋拱架。

（1）脫空。脫空現象是指由模筑襯砌與圍巖或初支結構之間聯系不牢固時所造成的裂縫、空隙等，其造成的因素一般有隧洞施工時模筑襯砌墻后回填混凝土不嚴密時所形成的空隙。另外，在隧洞運營中因為襯砌老化等因素，使模筑襯砌層與初支及巷道圍巖之間出現剝離而生成空洞和縫隙。

脫空現象在雷達技術圖上所顯示的模筑襯砌界面反射信息很強，往往呈現帶狀長條型或三角狀劃分，且三振相強烈，但往往在其下方仍有較強的反射界面信息，因此二組信號位移時程相差很大。

（2）欠實。模筑襯砌欠實是指建筑襯砌結構內混凝土回填不嚴密所形成的較小的裂縫、小空隙等。其形成的因素主要有隧道開挖后施工接縫不嚴密、有裂縫等。另外，在隧洞施工過程中因水的浸蝕、地質應力影響和水泥老化等因素作用，會引起隧洞模筑襯砌斷裂、變形等。模筑襯砌欠實部位的雷達界面對反射信號呈強反射，且通常并不持續，表現出錯斷和雜亂等現象。

2 襯砌缺陷形成機制分析

探討隧洞缺陷病害的形成原因以及不同缺陷在地質雷達影像上的形態特征，對于對隧洞襯砌裂紋的鑒定以及針對隧洞缺陷病害防治有一定的實踐意義。

2.1 襯砌空洞

襯砌空洞廣泛出現在隧道的各個部位。空洞不但會引起襯砌的混凝土裂縫、損傷，甚至還會使圍巖變形增長進而造成巷道圍巖的失穩。根據空洞出現情況和原因的不同，大致上可以分成下列幾類。

（1）防水板和初支之間的空隙。這種空洞一般是由于隧道初期支護基面材料不均勻，又未及時用水泥補平或建筑防水板鋪掛得過緊密，造成二襯混凝土不能在建筑防水板和初支邊間的縫隙填充密實所產生的。此類空洞多出現于邊墻及拱頂。

（2）砌筑防水頂板和模筑襯砌間的空隙。在建筑施工襯砌混凝土時，宜從二端拱腳自下而上分層均勻地開始砌筑；混凝土澆筑至拱頂處時，利用運輸泵壓克服混凝土的自重和運泵阻力，不斷地頂升直至拱頂處灌入砂漿中。混凝土自身也具有一定程度上的“干縮”現狀，受水泥流動性影響，由“干縮”所產生的空隙多聚集在拱頂部位，拱腰次之。因此在澆筑過程中多會在拱頂預留相當數量的注漿材料孔隙。

（3）混凝土內部不密實。當模具內混凝土澆筑密實不完全時，在混凝土內也會發生程度不一的不密實現象，在襯砌為鋼筋混凝土時，這種缺陷更容易出現。

2.2 襯砌厚度不足

襯砌厚度缺陷也是隧洞開挖過程的另一個工程通病，主要由隧洞欠開挖和襯砌混凝土之間產生空隙而造成。模筑襯砌厚度若不夠，則很容易造成襯砌表層出現裂紋，甚至導致水泥掉塊，從而降低了行車安全性。重則降低襯砌受力，影響結構安全。

2.3 襯砌滲漏水

模筑襯砌的滲漏水多發生于裂隙和地下水發育區域，在隧洞開挖過程中也會出現。隧道內滲漏水不但會造成模筑襯砌結構內金屬構件腐蝕，同時還會腐蝕模筑襯砌結構內混凝土，從而導致模筑襯砌結構強度下降，在嚴寒地方更容易產生建筑襯砌的凍脹裂損。而造成模筑襯砌內滲漏水的因素，除去圍巖內部節理裂縫發育、地下水豐富等地質因素之外，施工過程中工藝、管理也是襯砌滲水的因素。襯砌滲漏水原因有：

（1）澆筑時振搗不實，在水壓力影響下混凝土結構體內出現泌水現象。

（2）由于初期支護基礎處理不當以致防水板被錨桿頭等尖硬物刺破。

（3）防水工程模板及止水帶安裝不標準。（4）預埋排水體嚴重阻塞或循環不暢通。

當隧道內滲出水較嚴重時，襯砌式表面上會發生面狀滲出、滴漏或成線狀滲漏等，甚至于還會在薄弱拱頂部產生“水簾”滲水現象。當地層發生襯砌滲漏水時，雷達剖面上通常產生水平的強反射信號，展布區域很大，且多次波強烈。

3 檢測內容與測線布置

檢測前沿隧道軸線用噴漆每隔10 m標好里程樁編號，以便在雷達天線使用時及時、正確地加以標注。隧道的襯砌地質雷達檢測，依據現場的實際情況，沿雙向行車道縱向布置了五條檢測線，即在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻處布置檢測線。

依據檢測內容包括油坊隧道襯砌缺陷分布情況、襯砌密實性情況等，采用500 MHz天線、1 GHz天線進行測量。

4 探地雷達參數設置

地質雷達要求目標載體與周圍材料之間在介電常數要有明顯的差異。地質雷達不同頻率的天線，其探測深度不同，頻率越低，檢測深度越大，但分辨率會下降；頻率越高，檢測深度越淺，而分辨率會增加。故在隧道襯砌檢測時，必須選用與檢測深度要求有關的天線，頻率范圍通常為400 MHz~1 GHz之間。

根據現場檢測精度與深度的要求，采用美產SURVEY地質雷達，天線選用500 MHz與1 GHz的屏蔽天線進行對比檢測。主要檢測參數數據有：

500 MHz天線的參數設置：采樣頻段：7 137 MHz，采樣點數：426點，窗口時間：60 ns。觸發方法：采用測量輪，距離的觸發檢測方法，測量精度與深度均能達到襯砌厚度要求。表1為部分天線在巖體中的理論測量深度。

表1 部分天線在巖體中的理論探測深度

天線500 MHz，材料狀態與深度比例，材料狀態：干燥（1.00）。深度比例：深度3.1 m、時間51 ns。

天線500 MHz，觸發模式，軸編碼器軸間距2.5 mm，最大距離1.13 km。

1 GHz天線采集參數設置：采集頻段：10 350 MHz；采集點數：444點；窗口時間：42 ns。觸發方法：采用測量輪，按距離觸發。

5 雷達剖面圖像及分析

5.1 500 MHz天線隧道右邊墻雷達圖像

500 MHz天線隧道右邊墻雷達圖像分析見圖1。測線位置K0+704~705脫空，深度約0.3 m。測線位置K0+762~763不密實，深度約0.45 m。

圖1 K0+704-705脫空

5.2 500 MHz天線隧道右拱腰雷達圖像

500 MHz天線隧道右拱腰雷達圖像分析見圖2。圖2測線位置K0+549處小孔洞，深度0.45 m（鉆孔取樣處）。測線位置K0+666.4~670.6斷續不密實，深度0.3~0.45 m。

5.3 500 MHz天線隧道拱頂雷達圖像

500 MHz天線隧道拱頂雷達圖像分析見圖3。圖3的測線位置為K0+712~715.4，脫空時不密實，深度約0.35 m。測線位置在K0+719.4~721.4之間，不密實，深度0.35 m。

圖3 K0+712-715.4脫空不密實

5.4 500 MHz天線隧道左拱腰雷達圖像

500 MHz天線隧道左拱腰雷達圖像分析見圖4。圖4測線位置K0+558~567部分脫空不密實，深度約0.45~0.6 m。

圖4 K0+558-567部分脫空不密實

5.5 500 MHz天線隧道左邊墻雷達圖像

500 MHz天線隧道左邊墻雷達圖像分析見圖5。圖5 K0+648.4~649.2 不密實，深度0.4 m。測線位置K0+760.6~761.8 m，不密實，深度0.5 m。測線位置K0+782.5~783.5 m，不密實，深度0.5 m，附近K0+791鉆孔取樣處，邊墻有較多氣孔。測線位置K0+791.3 小空洞，深度0.3 m。

圖2 K0+549小孔洞

圖5 K0+648.4-649.2不密實

5.6 檢測結果分析

運用地質雷達對油坊嶺隧道襯砌結構和模筑襯砌的背后缺陷進行檢測和圖像解譯，發現部分地段隧道襯砌混凝土結構背后出現不密實、脫空、空洞等缺陷，與后期采用現場鉆孔取芯驗證一致，并達到了地質雷達檢測技術規程標準和精度要求。

6 結語

（1）地質雷達科技成為一門無損的測量技術手段，具有成本低、操作方便、檢測精度高、對數據收集和處理集科學于一身、對目標體和異常圖像清晰可見且容易辨認等優點，廣泛應用于公路隧道檢測中。就隧洞測量過程來說，大多數技術人員都會首選地質雷達檢測技術，利用地質雷達無損檢測設備，不但可以增強隧道施工測量的精確度和一致性，同時可以大大提高測量的速度。

（2）當作為在隧道測量工程技術中使用最為普遍的地質雷達技術，運用于隧道的施工質量監測中時，能在維持隧道結構不變的前提下完成檢測工作。該文主要從地質雷達基本原理出發，系統說明了在隧洞施工質量檢測中地質雷達檢測技術的運用，對隧道襯砌病害缺陷的判識有一定的指導和幫助。

（3）運用地質雷達探測儀對福建某公路隧道襯砌質量無損檢測、數據分析和圖像解譯，取得了良好的檢測解譯效果。除部分地段的隧道表層出現裂紋外，通過檢測發現部分地段隧道襯砌背后出現了澆注混凝土不密實、脫空、空洞等缺陷，通過現場鉆孔取芯驗證和對比，其無損檢測符合地質雷達檢測技術規程的標準和精度要求。