南杖子隧道襯砌裂縫檢測分析

董澤 許懷玉 李進斌

摘 要：針對京沈客專南杖子隧道襯砌進行檢測。檢測采用LTD-2100探地雷達，測量出襯砌裂縫深度。通過對雷達數(shù)據(jù)處理與雷達圖像分析，得出襯砌裂縫產(chǎn)生的原因，為類似工程檢測提供參考。

關鍵詞：襯砌裂縫檢測；襯砌裂縫原因分析

近年來，我國進行了大量的基礎設施建設，在橋隧工程取得突出成果。但在已建成的隧道中，經(jīng)常會出現(xiàn)隧道襯砌背后空洞、襯砌開裂等工程病害問題。產(chǎn)生病害的主要原因是在隧道建設過程中的因素，這就會直接影響到隧道的正常運行，造成安全隱患。在京沈客專遼寧段內(nèi)南杖子隧道襯砌檢測中，我們采用探地雷達進行檢測，通過對雷達信號收集處理、相關資料分析和專業(yè)處理軟件模擬分析，從而確認隧道施工質(zhì)量和運營過程中的安全性。

1 工程概況

南杖子隧道地貌屬于低山丘陵區(qū)，隧址區(qū)內(nèi)山體多見基巖出露，植被茂盛，為山林。隧道所經(jīng)山脈海拔最高高程為384.03m，最高點里程為DK396+791.60，隧道最大埋深103.7m。隧道全長2025m，隧道內(nèi)采用復合襯砌結(jié)構(gòu)形式。南杖子隧道圍巖多是風化巖石，加之隧道本身施工難度大，隧道襯砌極易出現(xiàn)裂縫。

2 檢測過程

現(xiàn)場采用LTD-2100探地雷達，配置900M天線對南杖子隧道的襯砌質(zhì)量進行了檢測。在使用雷達檢測時，要注意將發(fā)射和接收天線與隧道襯砌表面緊密貼在一起，并保持水平地沿襯砌表面滑行，在向前滑動過程中，由雷達主機高速發(fā)射雷達脈沖信號，進行檢測襯砌。同時，進行連續(xù)快速收集信號。現(xiàn)場測試的詳細如下：

2.1 天線型號選擇

針對隧道襯砌檢測的具體情況，分別從雷達信號接收分辨率、雷達信號穿透力和輸出信號穩(wěn)定性這三個方面進行綜合考量。因此，我們選擇了900MHz天線。通過信號可以發(fā)現(xiàn)出襯砌之間存在的病害，進而確定墻體內(nèi)鋼筋分布情況，估計出二襯厚度。

2.2 記錄參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場實際情況選定出雷達天線后，進行記錄參數(shù)選取試驗。再根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試分析得出結(jié)果，確定主要參數(shù)如下：

（1）檢測速度保持在5km/h；

（2）每道包括512個時間采樣點；

（3）900m天線的時窗為25ns；

（4）采用測距輪檢測方式，每隔1m打一個標記，每10米大雙標。

現(xiàn)場采集的雷達掃描圖像，通過計算機圖像處理后，繪生成成彩色探地雷達剖面圖。經(jīng)過觀察雷達圖像，發(fā)現(xiàn)出襯砌異常部位，并對可疑部位進行反復測量和加密測量，可能遇到隨機情況影響探測效果的，需在現(xiàn)場進行復測，并保留全部數(shù)據(jù)為有效記錄。

3 雷達測試數(shù)據(jù)處理和雷達圖像解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的是通過提高雷達信號信噪比，從而將異常信號突出化的過程。首先將現(xiàn)場采集的探地雷達數(shù)據(jù)傳輸至計算機中，其次使用配套的探地雷達處理軟件進行處理數(shù)據(jù)。在軟件處理之前，需要進行數(shù)據(jù)預處理。經(jīng)過預處理后，還要進行一系列的數(shù)字化處理，其作用主要是通過有效的壓制干擾信號的能量，從而提高雷達信號的信噪比，使得雷達信號更易于識別地質(zhì)情況，準確的反映檢測的地質(zhì)現(xiàn)象，從而提供更準確的解釋結(jié)果。

3.2 雷達圖像分析

探地雷達圖像的分析主要包括定性分析和定量分析兩種。定性分析主要針對襯砌背后脫空規(guī)模大小和產(chǎn)狀的判定，由于界面兩側(cè)的不同介質(zhì)存在一定的電性差異，尤其是當有空洞存在時，在該界面位置會出顯示較強反射，電磁波能量會顯著增強，從而會形成強反射界面，但當混凝土內(nèi)有鋼筋時，該界面會變得不清晰。定量分析主要是在對襯砌層厚度的判定上，襯砌層厚度的主要是依據(jù)界面的追蹤及電磁波的速度進行判定，混凝土與圍巖界面主要按照圖像相位及振幅進行追蹤。雷達圖像主要根據(jù)圖像電磁波波形，振幅大小及電磁波同相連續(xù)性的好壞來判斷襯砌層與圍巖的接觸情況。

4 隧道襯砌裂縫分析

4.1 隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的原因

隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的地段多位于隧道洞口、溝底部。這些地方的巖體松散、裂隙發(fā)育、豎向受壓力大，地層的偏心壓力和隧道建成后圍巖的擾動等是產(chǎn)生襯砌裂縫的原因；襯砌裂縫的產(chǎn)生與施工技術也有很大關系，包括隧道掘進方式、材料選用、襯砌混凝土攪拌情況、混凝土水灰比的確定、結(jié)構(gòu)拆模、拱背回填和混凝土養(yǎng)護情況等。因以上原因可直接導致混凝土達不到設計強度，產(chǎn)生不同類型裂縫。外界因素的影響對裂縫產(chǎn)生也有很大影響，混凝土本身的熱脹冷縮也是產(chǎn)生裂縫的重要原因，通常在北方溫差較大的地區(qū)，十分常見產(chǎn)生這種裂縫。

4.2 檢測結(jié)果分析

經(jīng)探地雷達檢測，發(fā)現(xiàn)南杖子隧道多條有裂痕標段，通過對雷達掃描圖像分析與數(shù)據(jù)處理，得出各裂痕標段襯砌裂縫位置、深度、長度。結(jié)合現(xiàn)場資料與LTD探地雷達圖譜，通過分析發(fā)現(xiàn)此次產(chǎn)生裂縫的原因主要有以下兩點：

（1）隧道圍巖條件較為破碎。例如，隧道進出口里程DK395+765-DK397+790，全長2025m，最大埋深103.7m。其中Ⅴ級圍巖325米，Ⅳ級圍巖610米，Ⅲ級圍巖1090米。DK396+420-DK396+645該段設計為頁巖弱風化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄、中厚層狀構(gòu)造，礦物成分主要為粘土礦物。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，呈碎塊結(jié)構(gòu)，襯砌類型為IVa-1型。

（2）偏心受壓使襯砌受力不均產(chǎn)生裂縫。隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的另一個主要原因是隧道偏心受壓，產(chǎn)生偏心受壓的原因很復雜，可能由于特殊的地質(zhì)和地形條件、隧道結(jié)構(gòu)不對襯、襯砌回填不密實等因素引起。偏壓會給隧道帶來的不利影響，在山區(qū)隧道中非常普遍，且對隧道具有很大危害性。因偏心受壓而產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象主要在隧道洞口路段段和地質(zhì)突變段出現(xiàn)。DK395+765～DK397+000范圍內(nèi)為單斜構(gòu)造，為侏羅系上統(tǒng)九佛堂組，主要巖性為粉砂巖、頁巖、巖層產(chǎn)狀29°∠16°，節(jié)理裂隙較發(fā)育。使得受壓不對稱，極易產(chǎn)生裂縫。

5 結(jié)語

本次南杖子隧道檢測的探地雷達野外采集數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)處理軟件進行一系列處理、分析后，得出南杖子隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因。本文結(jié)合工程實例，通過對南杖子隧道襯砌的檢測以及對隧道襯砌裂縫的分析研究，為類似工程檢測提供參考。

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