基于探地雷達無損檢測技術的襯砌脫空規律研究

【摘" " 要】：為揭示隧道襯砌脫空分布規律，結合工程調研與現場檢測，對隧道襯砌脫空規律展開研究，結果表明：襯砌背后脫空集中出現在拱頂與拱腰，占比高達檢測數據的93%；襯砌背后脫空縱向長度受二襯作業臺車長度影響極大，92.4%檢測出的脫空病害縱向長度≤9 m；襯砌背后脫空高度與二襯厚度密切相關，99.1%檢測處的脫空病害高度＜40 cm。

【關鍵詞】：隧道襯砌；脫空；無損檢測；探地雷達

【中圖分類號】：U451 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-09-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.003

Research on the Characteristics of Voids Behind Tunnel Linings Based on Ground Penetrating Radar Non-Destructive Testing Technology

【Abstract】： To uncover the distribution patterns of delamination behind the lining and provide guidance for professionals in the field， this study combines engineering surveys with on-site inspections to investigate the characteristics of delamination in tunnel linings. The results show that delamination behind the lining is predominantly concentrated in the crown and intrados， accounting for as much as 93% of the recorded data，the longitudinal length of delamination behind the lining is heavily influenced by the length of the secondary lining operation trolley， with 92.4% of detected delamination defects having a longitudinal length of ≤9 m，the height of delamination behind the lining is closely associated with the thickness of the secondary lining， with delamination defects detected in 99.1% of cases having a height of less than 40 cm.

【Key words】： tunnel lining；voids behind；non-destructive testing；ground penetrating radar

截至2021年，我國隧道工程總里程數已達24 698.8 km，平均年增長里程達1 199.7 km，龐大的體量給管養工作帶來巨大壓力。目前，隧道工程病害檢測作業主要有表觀病害檢測與內部缺陷檢測。內部缺陷檢測技術中，探地雷達無損檢測應用最廣泛。

探地雷達是以不同介質的介電常數差異性為基礎，利用電磁波在不同介電常數的介質間產生反射與散射來確定目標體分布規律的一種無損探測方法。閆永峰[1]利用探地雷達對某水利工程隧道開展檢測，論證了探地雷達在襯砌脫空質量檢測中的顯著效果。張小明[2]對存在脫空病害的地下結構進行地電模型正演模擬，揭示了探地雷達圖像特征與病害的關系。許德根等[3]利用數值模擬，結合工程實例，對探地雷達脫空區域監測數據進行精確解譯。葉煜輝[4]基于深度學習對探地雷達病害檢測數據進行分析，成功建立了可準確反演病害類型的智能算法。卿軒等[5]為解決探地雷達檢測數據中圖像解譯工作高度依賴個人經驗的問題，結合工程試驗與數值模擬對襯砌脫空部位進行正演模擬。洪俊奎[6]分析了蘭渝鐵路某隧道襯砌脫空原因并給出了針對性的處治措施。李福海等[7]通過模型試驗，研究了隧道襯砌脫空病害對二襯受力分布規律的影響。

大量研究工作側重于分析脫空病害成因、脫空病害在探地雷達檢測數據中的表征形式；少有關注襯砌脫空病害數據，建立襯砌脫空病害特征及分布規律，以供運管單位與研究人員開展病害對隧道安全性影響分析的研究。本文利用探地雷達對西南地區10座公路隧道襯砌進行病害檢測，對襯砌脫空病害分布規律進行統計分析。

1 襯砌脫空病害成因

隧道襯砌脫空指在隧道襯砌背后出現未填實或填實不密實的區域，形成空洞，導致襯砌的穩定性和安全性受到威脅。襯砌脫空病害主要成因可分為以下幾類。

1）施工工藝

隧道穿越地層時，圍巖參數沿隧道軸線方向分布存在差異，這就要求爆破參數需隨隧道進尺動態更新，形成“一炮一設計”。實際施工過程中因成本、施工人員能力等原因，往往全過程僅采用一種爆破參數，導致光面爆破效果較差，超欠挖嚴重，甚至初支的噴射混凝土無法使揭露圍巖表面平整。這種情況下掛設防水布時，防水布極難與初支密貼，易形成空腔或褶皺。見圖1。

此外，澆筑二襯期間，若混凝土在模板臺車內流動距離過長、混凝土方量供應不足、混凝土振搗不充分、泵送壓力不足、高低位泵送、預留排氣孔堵塞而形成氣囊等，也極易形成脫空。見圖2。

2）地質條件

（1）軟弱地層。當隧道穿越軟弱地層尤其是黏土、泥質地層或松散堆積層時，會增加襯砌脫空的風險。因為這些地層強度較低，容易發生不均勻沉降與變形。

（2）斷層帶。隧道穿越活動斷層帶時，斷層帶的不穩定性會導致地層位移，進而引起襯砌脫空。

（3）喀斯特地貌?？λ固氐孛驳貐^極易出現襯砌脫空病害，受地下水溶蝕作用，巖體極易形成洞穴或空洞。隧道穿越可溶性巖石地層時，地下水可能會通過巖石空洞、裂隙進入隧道，與襯砌發生反應（硫酸根離子），引發襯砌脫空。此外，地下水的沖蝕還會帶走襯砌背后的充填材料，形成空腔。

（4）隧道使用環境。當隧道使用環境中存在較大振動、沖擊等外力作用時，可能導致襯砌內部松動、開裂，形成空洞。

（5）維護保養。隧道襯砌維修保養不當是襯砌脫空最常見的原因。混凝土具有收縮徐變特性，隧道服役時間較長后襯砌與圍巖或襯砌與防水板之間極易出現空隙。如果襯砌的定期檢查、修復與加固等工作未及時開展，則會導致脫空進一步發育。

2 檢測方案及工作流程

探地雷達探測參數設置對病害識別影響極大。一般來說，探測雷達檢測時中心頻率越高，檢測深度越低，得到的圖像越清晰。因為高頻率的電磁波更容易被地下目標散射或反射，穿透能力較差；較低的中心頻率能夠提供更大監測深度，但低頻電磁波的分辨率較低，因此獲得的圖像更模糊。本次監測使用的探地雷達為SIR-3000系列。見表1。

隧道襯砌厚度檢測時，通常要求縱向探測分辨率較高，常采用中心頻率在400 MHz及以上的天線；但考慮到高頻電磁波的衰減特性在襯砌脫空檢測中受干擾較大，所以在檢測過程中選擇一組高頻（900 MHz）及一組低頻（400 MHz）天線配合使用。

檢測作業前，根據施工階段襯砌接觸壓力，運營期間襯砌裂縫、滲水等病害分布情況，分析最有可能存在襯砌脫空的位置，合理設置監測區間與測線方向。見圖3。

3 襯砌脫空規律

3.1 襯砌脫空分布

共檢測10條運營公路隧道，共檢測出340處脫空。拱頂處共檢測到195處脫空，兩側拱腰處共檢測到122處脫空，兩側邊墻處共檢測到23處脫空。拱頂、拱腰、邊墻處脫空數分別占脫空總數的57%、36%、7%。這表明二襯在澆筑時，混凝土受重力作用，邊墻處較難形成脫空；但拱頂及拱腰處檢測到的脫空病害占總數的93%，拱頂與拱腰是脫空病害的高發區域。見圖4。

若因前期施工資料等缺失而無法確定測線方案，可以拱頂至拱腰范圍為主要檢測區域。

圍巖為III級時，襯砌后出現的脫空病害數量最少，僅檢測出59處；圍巖為IV級時，襯砌后出現的脫空病害數量最多，達到了164處；而圍巖級別為最差的Ⅴ級時，襯砌后出現脫空的數量略低于IV級圍巖，共檢測出117處。見圖5。

考慮到檢測的10座運營隧道襯砌結構均為素混凝土，病害數量分布情況表明，當圍巖情況較好時，出現脫空病害的可能性較低；當圍巖情況較差時（IV級或V級圍巖），出現脫空病害的數量與圍巖的側壓力系數成反比。當圍巖側壓力系數較大時（V級圍巖），作用在襯砌上的水平方向的地應力值較大，結構反而不易出現脫空病害。

各圍巖等級下，拱頂與拱腰都是脫空病害的重災區。其中，IV級圍巖時，拱頂處脫空數量最多，達到了90處。見圖6。

3.2 襯砌脫空長度

根據檢測結果，對襯砌背后脫空病害縱向長度分布情況進行分析，為便于描述，將縱向長度＜3 m的脫空稱為I類，3～6 m的稱為II類，6～9 m的稱為III類，9～12 m的稱為IV類，縱向長度≥12 m的稱為V類。92.4%檢測出的脫空病害縱向長度≥9 m。其中II類的數量最多，共檢測出169處，占總數的49.7%，縱向長度超過12 m的數量最少，占總數的1.7%。見圖7。

分別對分布在拱頂、拱腰及邊墻處的脫空病害縱向長度分布區間進行分析，發現與拱頂和邊墻處相比，拱腰處II類脫空占比極高，達63.16%，其他兩處的II類脫空僅為42.5%和40.48%。拱頂與邊墻處II類脫空占比雖高，但與I類、III類整體數量接近。見圖8。

拱頂縱向脫空長度的平均值達5.88 mm，遠超拱腰、邊墻處脫空長度的平均值；但拱頂脫空縱向長度離散程度極大，拱頂部位長度最大值為14.2 m，最小值僅有0.48 m，標準差與變異系數分別達到了2.78 m、47.28%。表明拱頂縱向脫空長度離散程度極大。見表2。

檢測結果中，超過98%的脫空病害縱向長度處于0～12 m，分析原因是山嶺隧道施工常用的二襯養護臺車長度為6、9、12 m，導致養護臺車兩端澆筑效果較好，少有脫空分布，這也與檢測結果中大多數脫空在施工縫處不連續的現象一致。

3.3 襯砌脫空高度

檢測出的脫空病害高度以10～20 cm和20～30 cm為主，分別占總數的29.7%和30.9%。高度≥40 cm的脫空數量最少，共檢測出3處，占總數的0.9%。見圖9。

分別對分布在拱頂、拱腰及邊墻處的脫空高度分布區間進行分析。與拱頂和拱腰處相比，邊墻處脫空高度均lt;20 cm，其中大多數脫空高度＜10 cm，占比達66.7%。拱頂處脫空以高20～30 cm為主，占比高達35.5%；拱腰處脫空以高10～20 cm為主，占比33.3%。相似的是，拱頂與拱腰處的脫空少有高度≥40 cm，這與山嶺公路隧道二襯厚度大多為40 cm的實際情況相符。見圖10。

拱頂處脫空高度平均值為22.74 cm，與拱腰、邊墻處脫空平均值對比，增幅分別為28.7%和133.5%。與邊墻處相比，拱頂與拱腰處脫空高度離散程度更大。其中，拱頂處的極差達到42 cm，標準差達到了8.55 cm。拱頂處脫空病害對結構安全威脅最大，因此，運營隧道有對脫空病害展開檢測的必要。見表3。

4 結論

1）隧道襯砌脫空病害普遍存在且成因復雜。為充分保障隧道安全運營，應按一定時間頻率開展隧道脫空病害檢測工作。

2）襯砌脫空病害主要分布在拱頂、拱腰處，邊墻處少有脫空，少數脫空規模也不大。

3）拱頂脫空病害頻發且脫空規模離散程度大。最大脫空縱向長度與施工工藝密切相關，最大脫空高度與襯砌厚度密切相關。

參考文獻：

[1]閆永峰.探地雷達在水利工程隧道襯砌脫空質量檢測中的應用[J].廣東水利水電，2023，（2）：15-19.

[2]張小明.水工隧洞襯砌結構的缺陷檢測及穩定性分析［D］．成都：西南交通大學，2014．

[3]許德根，楊天春，程""" 輝，等.隧道襯砌探地雷達檢測數值解析及應用[J].隧道建設，2016，36（11）：1343-1347.

[4]葉煜輝. 基于探地雷達和深度學習的隧道襯砌病害檢測及安全評價方法研究[D].西安：長安大學，2020.

[5]卿""" 軒，趙鵬濤，趙云威.基于探地雷達正演模擬的襯砌檢測技術研究[J].湖南交通科技，2018，44（2）：177-181.

[6]洪俊奎.隧道襯砌脫空原因及整治技術研究[J].科技創新與生產力，2022，（3）：130-132.

[7]李福海，李""" 瑞，姜怡林，等.隧道二次襯砌脫空帶模注漿對襯砌結構受力影響的試驗研究[J].現代隧道技術，2021，58（5）：147-158.