小議地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測中的應(yīng)用

韓立軍

中鐵一局集團(tuán)有限公司廣州分公司 廣東廣州 510000

摘要：21世紀(jì)，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展非常迅速，隧道工程也在蓬勃興起，人們對隧道的地質(zhì)和質(zhì)量問題也逐漸重視起來。隧道襯砌質(zhì)量是隧道穩(wěn)定及安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素，而襯砌結(jié)構(gòu)受力特性較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)病害，因此隧道襯砌施工質(zhì)量尤為重要。采用地質(zhì)雷達(dá)法重點(diǎn)對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行快速檢測，得到襯砌內(nèi)部空洞或不密實(shí)等異常部位，并對隧道襯砌厚度進(jìn)行檢測，對隧道襯砌混凝土施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：隧道襯砌；地質(zhì)雷達(dá)；質(zhì)量檢測；應(yīng)用；施工質(zhì)量

引言：

新時(shí)期下，由于社會(huì)在不斷的進(jìn)步發(fā)展，我國對于各類基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度也在逐步加大，鐵路、公路等產(chǎn)業(yè)均得到了極為良好的發(fā)展。而在這些基礎(chǔ)建設(shè)中，隧道工程的比重極大。運(yùn)用雷達(dá)方式對隧道最終的襯砌狀況進(jìn)行檢測能夠獲得較高的精度，但也不可否認(rèn)存在著一定的問題，影響其最終檢測效果。本文采用地質(zhì)雷達(dá)快速無損檢測方法對某高速隧道襯砌施工質(zhì)量進(jìn)行檢測評(píng)定，取得了較好的效果。

1、地質(zhì)雷達(dá)簡要介紹

眾所周知，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是一門新興的檢測技術(shù)，其優(yōu)勢特點(diǎn)為能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間的檢測，且獲得較好的檢測效果。因此，雷達(dá)檢測手段已廣泛應(yīng)用于隧道襯砌及路面的檢測工作中。在對隧道襯砌進(jìn)行科學(xué)檢測時(shí)，還需應(yīng)用到升降機(jī)。在將工作人員抬升至指定位置后，工作人員需將雷達(dá)上的天線與隧道中的襯砌面相互貼合，而其具體的檢測速度是每小時(shí)3～5千米。整體的檢測效率極為低下。而由于鐵路的天窗時(shí)間受到一定程度上的限制，因此，上述所說的檢測方法無法對現(xiàn)場類的檢測工作需求進(jìn)行充分滿足。為鐵路隧道進(jìn)行相關(guān)檢測車輛的配置，對其具體的技術(shù)狀況進(jìn)行科學(xué)檢測成當(dāng)務(wù)之急。運(yùn)用專屬的雷達(dá)檢測車輛進(jìn)行隧道檢測，應(yīng)著重關(guān)注兩方面的問題：第一，使地質(zhì)雷達(dá)上配備的天線與隧道襯砌保持適宜的距離，以此將整體的檢測速率進(jìn)一步提升；第二，配備多個(gè)雷達(dá)天線并完成相應(yīng)的安裝工作，以此實(shí)現(xiàn)對多條線路的檢測工作。

2、地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)

傳統(tǒng)隧道病害檢測方法基于人工視覺已不能滿足隧道工程發(fā)展要求，建立一種既不破壞隧道結(jié)構(gòu)又能快速有效檢測隧道質(zhì)量的方法成為一個(gè)亟待解決的問題。目前出現(xiàn)了多種快速無損檢測方法，主要有地質(zhì)雷達(dá)法、聲波法、瞬態(tài)面波、地震法等。這些方法針對對象不同，對應(yīng)測試內(nèi)容也有所區(qū)別。

2.1 檢測方法選用原則

隧道襯砌病害檢測時(shí)應(yīng)遵循如下原則：

（1） 檢測結(jié)果要準(zhǔn)確可靠。選擇檢測方法時(shí)首先應(yīng)確保其能準(zhǔn)確地反映隧道損壞情況及程度。

（2） 檢測效率高，操作方便且過程短。由于質(zhì)量檢測一般與施工同時(shí)進(jìn)行，為盡量避免與隧道開挖、爆破等施工不相互干擾，要求檢測方法必須快速。

（3） 檢測費(fèi)用經(jīng)濟(jì)。由于隧道施工是漸進(jìn)式的，襯砌質(zhì)量檢測也要漸進(jìn)進(jìn)行，因此襯砌檢測頻率較高，這就要求每次的減倉費(fèi)用要盡可能的低，以使整個(gè)施工過程的檢測費(fèi)用相對較少。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測原理

與其他幾種無損檢測方法相比，地質(zhì)雷達(dá)法的優(yōu)點(diǎn)主要是與地面不接觸，采用不同天線和信號(hào)源可以探測不同的目標(biāo)層。

其工作基本原理如下：發(fā)射機(jī)向地下發(fā)送脈沖形式高頻電磁波，在地下傳播過程中當(dāng)電磁波遇到電性差異的目標(biāo)體時(shí)，如空洞、地層分界面，便發(fā)生反射，折回地面，由天線接收并對反射波進(jìn)行處理和分析，通過波形、強(qiáng)度等參數(shù)就可推斷目標(biāo)體空間位置、結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)等。地質(zhì)雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)無損檢測，其組成主要包括發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)和終端設(shè)備等，地質(zhì)雷達(dá)探測原理如圖1 所示。

圖 1 GPR 工作原理示意圖

3、隧道質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 建筑物地表變形控制

隧道開挖不可避免地影響地表變形，包括沉降和水平位移，當(dāng)隧道通過的區(qū)域地表有建筑物時(shí)，其變形控制將嚴(yán)格。我國及部分歐美國家規(guī)定地下采空的建筑物地表容許變形值，如表 1 所示。

表 1 各國建筑物地表（地基） 允許變形值

3.2 圍巖變形控制

3.2.1 最大位移值

《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ042 -94） 規(guī)定，隧道周邊允許相對位移值如表2 所示。設(shè)測試位移為S，最大位移允許值為Sa，則有：

（1）當(dāng)測試位移S

（2）當(dāng)測試位移Sa/3< S<2Sa/3 時(shí)，說明圍巖變形已偏大，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視圍巖動(dòng)向；

（3）當(dāng)測試位移 S >2Sa/3 時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并采取超前支護(hù)、注漿等加固措施。

表 2 隧道周邊允許相對位移值（m）

3.2.2 位移速率

（1）當(dāng)位移速率v> 1mm/d 時(shí)，說明圍巖變形變化急劇，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)控圍巖動(dòng)態(tài)；

（2）當(dāng)位移速率 0.2

（3）當(dāng)位移速率 v <0.2mm/d 時(shí)，說明圍巖已達(dá)到基本穩(wěn)定，可進(jìn)行襯砌施工。

3.3 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《錨 桿 噴 射 混 凝 土 支 護(hù) 技 術(shù) 規(guī) 范》（GB50086- 2001），噴射混凝土強(qiáng)度如表3 所示。其中，噴射混凝土1d 齡期抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于 5MPa，鋼纖維噴射混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于 C20，噴射混凝土彈性模量如表 4 采用。

表 3 噴射混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）

表 4 噴射混凝土彈性模量（GPa）

4、隧道襯砌施工質(zhì)量檢測與評(píng)價(jià)

4.1 檢測內(nèi)容

襯砌是隧道最易出現(xiàn)病害的部位，其質(zhì)量狀況是隧道整體施工質(zhì)量最重要一環(huán)。隧道施工過程中由于混凝土振搗不實(shí)造成襯砌結(jié)構(gòu)脫空、初襯松散欠密實(shí)，以及偷工減料造成的初襯混凝土厚度不足等問題，為此，工程現(xiàn)場采用地質(zhì)雷達(dá)重點(diǎn)對襯砌質(zhì)量進(jìn)行無損快速檢測。本文依托某高速公路隧道開展現(xiàn)場質(zhì)量檢測與評(píng)價(jià)。

4.2 測試方案

（1） 檢測以沿隧道軸線平行的縱向布線為主，橫向布線為輔?？v向布線分別位于隧道拱頂、左右邊墻和隧道底；橫向布線根據(jù)檢測要求布設(shè)，直線段橫向 8～12m 布設(shè)一條，曲線段 4～6m 布設(shè)一條，點(diǎn)測時(shí)每斷面不低于 6 個(gè)點(diǎn)，特殊地段進(jìn)行加密檢測。

（2） 竣工驗(yàn)收質(zhì)量檢測與施工過程布線方式類似，以縱線為主，橫線為輔?？v向橫向布線的位置與第一條相同。

4.3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

4.3.1 初襯質(zhì)量檢測

在隧道初襯完成后，二襯開始之前，對隧道的初襯質(zhì)量進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)快速檢測，根據(jù)隧道設(shè)計(jì)及施工具體情況，布設(shè)了縱向測線 8 條，分別布設(shè)于左右洞室的拱頂（2條）、拱腰（4條）、側(cè)墻（2條）；橫向測線 10 條，具體布置位置詳見表 5。

表 5 部分施工測線明細(xì)表

于 2010 年 4 月 18 日進(jìn)入現(xiàn)場開展檢測工作，左洞左拱腰處的地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果圖像如圖2 所示，圖中顯示，在K21 +202～ K21+205.3 樁號(hào)范圍內(nèi)的左洞左拱腰處襯砌界面反射信號(hào)較強(qiáng)，三振相十分明顯，分析認(rèn)為初襯支護(hù)后有長約 3.3m，厚度（隧道徑向）為 0.23m 的異常區(qū)域，初步認(rèn)定為空洞區(qū)域。若反射信號(hào)同相軸成射弧狀，不連續(xù)較分散，則說明初襯墻后有不密實(shí)異常。

K101 + 220～ 223.3 范圍內(nèi)右洞右拱腰處襯砌界面反射信號(hào)較強(qiáng)，三振相十分的明顯，說明初襯墻后有長約3.3m 異?？斩?。若反射信號(hào)同相軸成射弧狀，不連續(xù)較分散，則說明初襯墻后有不密實(shí)異常。

圖 2 右洞右拱腰異常剖面

整個(gè)布設(shè)測線檢測結(jié)果中共發(fā)現(xiàn)8 處明顯異常，初步認(rèn)為這些區(qū)域?yàn)榭斩椿虿幻軐?shí)，現(xiàn)場對異常點(diǎn)取芯進(jìn)行驗(yàn)證，綜合分析后，得到具體檢測結(jié)果如表6所示，應(yīng)對這些病害區(qū)域采取二次注漿進(jìn)行加固。

表 6 異常解釋成果表

由表6 檢測結(jié)果可知，隧道左洞僅拱頂出現(xiàn)兩處長度小于4m，厚度小于 15cm 的不密實(shí)區(qū)，初襯施工質(zhì)量較為良好，右洞右側(cè)拱腰出現(xiàn)4 處的異常

區(qū)，1 處為空洞，其余 3 處為不密實(shí)區(qū)，右洞左側(cè)拱腰出現(xiàn)2 處異常區(qū)。1 處為空洞，1 處為不密實(shí)區(qū)。右洞初襯出現(xiàn)的病害較多，應(yīng)對檢測出的各病害區(qū)

進(jìn)行相應(yīng)處理。

4.3.2 混凝土厚度評(píng)定

對襯砌混凝土厚度的質(zhì)量評(píng)定應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）檢測噴射混凝土平均厚度≥設(shè)計(jì)厚度；

（2）檢查點(diǎn)中 60%≥設(shè)計(jì)厚度；

（3）檢測噴射混凝土最小厚度≥設(shè)計(jì)厚度/2。

初襯混凝土厚度檢測結(jié)果如表 7 所示。左右洞分別布設(shè)了3 條測線，分別為側(cè)墻、拱頂和拱腰，由表中數(shù)據(jù)可知，左右洞3條測線均符合質(zhì)量要求，但

拱腰和側(cè)墻初襯厚度的施工質(zhì)量相對較差，小于等于設(shè)計(jì)厚度占有率分別達(dá)32.7%和28.9%（右洞）、30.3% 和 31.1%（左洞）。拱頂?shù)某跻r厚度質(zhì)量最好，小于等于設(shè)計(jì)厚度占有率為 3.7%（右洞）、5.4%（左洞）。

表 7 某隧道襯砌厚度檢測不合格結(jié)果

5、結(jié)束語

綜上所述，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行鐵路隧道襯砌具體狀況的科學(xué)檢測，雖然具有精度高、無損性較強(qiáng)的優(yōu)勢，但相應(yīng)的代價(jià)便是巨大的工作量及較高的檢測難度。對地質(zhì)雷達(dá)檢測工作進(jìn)行一系列科學(xué)措施的制定，分析研究其相關(guān)問題，能夠進(jìn)一步提升整體的檢測效果及相應(yīng)的施工質(zhì)量，并隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)水平的提高，我們有理由相信地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在未來將更加成熟，并勢必在隧道超前預(yù)報(bào)中發(fā)揮出更加重要的作用。

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