新疆達坂隧洞灌注及灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達測試技術(shù)探析

楊建明

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000)

1 引言

隧洞灌注及灌漿質(zhì)量常規(guī)的檢測是通過鉆孔中用聲波或超聲波以及鉆孔取芯測試的方法，該方法可靠，但使用該方法有一定的局限性，只能單點抽查，不能連續(xù)測量，對襯砌層具有一定的破壞性，其檢查頻度和數(shù)量受到嚴格限制，具有抽樣的隨機性，不能做全洞段連續(xù)檢測。

地質(zhì)雷達技術(shù)能夠?qū)λ淼酪r砌厚度及灌注情況進行檢測以定性評價隧道襯砌及灌注質(zhì)量。其對襯砌厚度的檢測誤差一般不超5cm;對灌注情況的檢測，能觀察到灌注體的分布，能檢測出灌注體同圍巖的接觸情況，可檢測出灌注的密實情況及灌注體是否欠實、是否有空洞及空洞大小，空洞是否充水等情況;還可檢測出襯砌是否有裂縫、襯砌體中鋼筋及鋼筋的數(shù)量、密度。該技術(shù)是一種無損檢測技術(shù)，對施工基本沒有影響?？稍谒淼酪r砌表面任何部位做連續(xù)檢測，檢測效率高，檢測結(jié)果以實時彩色深度剖面形式顯示，直觀、可靠度高。

采用地質(zhì)雷達、聲波、超聲波以及適量鉆孔取樣相結(jié)合的方法，探測襯砌強度、襯砌厚度，探測襯砌與圍巖 (或一襯)之間的灌注情況，探測襯砌體、灌注體和圍巖的波速等，可以為評價施工質(zhì)量、進行工程處理提供依據(jù)。

2 達坂隧洞工程概況及地質(zhì)情況

新疆達坂隧洞全長30.69km，上游6.5km長洞段采用鉆爆法施工，下游24.19km長洞段采用全斷面雙護盾TBM自隧洞出口向上游掘進。TBM施工段設(shè)計開挖直徑為6.79m，預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)，管片寬1.6m，厚28cm，襯砌后內(nèi)徑6.0m。

達坂隧洞松散破碎的Ⅳ類、Ⅴ類圍巖占93.32%，Ⅱ類、Ⅲ類圍巖占6.68%，掘進過程中經(jīng)歷斷層破碎帶、富水洞段、高地應(yīng)力洞段、泥質(zhì)膨脹巖洞段等不良地質(zhì)洞段。地層產(chǎn)狀變化頻繁，層間錯動現(xiàn)象普遍，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖縮徑，塌方現(xiàn)象嚴重。

3 達坂隧洞灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達探測機理

達坂隧洞此次試驗采用的地質(zhì)雷達利用高頻電磁波 (主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由發(fā)射天線T發(fā)出，通過地面進入地下，經(jīng)地下地層或目標體反射后返回地面，為接收天線R所接收 (見圖1)。

脈沖波行程需時:

式中 v——地下介質(zhì)中的波速，m/ns;

t——測得的時間值，ns。

由上式求出反射體的深度，式中x值在剖面探測中是固定的;v值可以用寬角方式直接測量，也可以根據(jù)近似計算出。

雷達圖通常以脈沖反射波的形式記錄，圖2為波形記錄的示意圖，在圖2上對照一個簡單的地質(zhì)模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面(GPR剖面)，經(jīng)過資料的后處理就可得到地下不同介質(zhì)的分布情況及介電常數(shù)變化面的位置等參數(shù)。

4 隧道襯砌和灌注質(zhì)量地質(zhì)雷達探測試驗可行性分析

4.1 達坂隧洞工程隱患目標體探測的理論分析

達坂隧洞灌注檢測主要回答以下幾個問題:①灌注是否填實到位;②是否有空洞或回填欠實;③鋼筋密度是否符合要求;④預(yù)制襯砌管片是否有裂縫等其他隱患等。以此對灌注質(zhì)量進行評價，為補救處理提供依據(jù)。

檢測對象為四種介質(zhì):①洞壁圍巖——含礫土層;②襯砌管片;③灌注體——豆粒石及水泥(砂)漿;④可能形成的空洞和欠實松散區(qū)。

自然界中每一種物質(zhì)的電磁特性都不一樣，即使同一種物質(zhì)由于其含水程度、顆?？障抖鹊牟煌潆姶欧瓷涮匦砸膊煌?。表1是幾種物質(zhì)的電磁特性參數(shù)表。

表1 幾種介質(zhì)的電磁特性參數(shù)

隧洞襯砌管片、洞壁之間的灌注體分布狀況和欠實區(qū)、洞壁坍塌和空洞以及富水區(qū)的分布探測，是利用上述幾種介質(zhì) (材料)本身的介電常數(shù)不同，加上探測部位的空隙度變化，其含空氣或水程度不同，造成介質(zhì)的電磁參數(shù)差異變大，能形成明顯的電磁界面。地質(zhì)雷達使用的是高頻電磁波，其傳播速度主要由物質(zhì)介電常數(shù)的大小來決定。電磁波遇到不同的波阻抗界面 (如隧道拱頂?shù)拿摽?、不密實、離析等界面)將會產(chǎn)生反射和透射。在混凝土襯砌體與圍巖間、二次襯砌與一次襯砌間、襯砌體內(nèi)部、灌注體及其與管片之間存在空洞、不密實、離析等情況時，由于介電差異，能產(chǎn)生明顯的電磁反射面，采用地質(zhì)雷達能夠探測其位置分布和大小，所以選擇地質(zhì)雷達探測技術(shù)作為隧道襯砌灌注質(zhì)量的有效檢測方法之一是可行的。

4.2 達坂隧洞地質(zhì)雷達探測工程隱患分辨率分析

分辨率是探測方法識別能力，通常被定義為區(qū)分工程隱患界面頂部和底部反射的能力。它主要依賴于:①發(fā)射脈沖的頻率和振幅;②圍巖的電性和電磁波穿透性;③地質(zhì)的復(fù)雜化;④人文設(shè)施或其附近、地表物體的干擾;⑤目標的深度、形狀和大小;⑥目標物的介電常數(shù)。本次探測范圍是從管片向外1m左右，個別地段可能達到1.5m左右，必須選擇最佳的雷達天線探測頻率，表2是雷達不同天線探測的水平分辨率表。

表2 雷達不同頻率、不同介質(zhì)水平分辨率單位:m

從表2中可知，采用1000MHz在混凝土中可以分辨水平范圍40cm左右的隱患異常。

表3是目前已有的雷達天線在不同介質(zhì)中的垂向分辨率，在不同介質(zhì)中采用不同的頻率從理論上計算，可以探測選擇深度方向的最大分辨率。

表3 不同頻率、介質(zhì)中地質(zhì)雷達的垂向分辨率 單位:m

從表3可以看出，在混凝土介質(zhì)中采用1GHz的天線，可以分辨垂向3cm的異常。

根據(jù)上述分析，在達坂隧洞內(nèi)檢測采用1GHz的天線，可以探測混凝土內(nèi)厚度3cm，寬度40cm的隱患異常。

5 探測成果分析

由于此次達坂隧洞灌注及灌漿質(zhì)量檢測工作共完成11條測試剖面，測點6905個，剖面長度103m，形成的雷達影像圖較多，在此只抽取檢測過程中較典型檢測圖像進行闡述。

5.1 隧洞中已探測段管片成像特征

在隧洞中共計測量了8條剖面，其中在隧洞的頂部軸向測量有5條，在每條的測線上都能清楚地反映大部分管片鋼筋是兩層均勻分布，在有些部位也發(fā)現(xiàn)鋼筋距離偏大，管片表層有金屬塊及混凝土和鋼筋沒有搗實的現(xiàn)象。

從圖3初步可以看出在管片的環(huán)向上同樣有兩層鋼筋，鋼筋的平面間距在20～25cm，鋼筋分布大致均勻，有個別分布不均，在大框內(nèi)表示混凝土構(gòu)件內(nèi)部鋼筋位置沒有振搗密實，小框內(nèi)表示在此位置的管片表面有金屬物體。

5.2 隧洞注漿回填質(zhì)量檢測成果

隧洞質(zhì)量檢測共完成5個頂部的軸向測量，3個環(huán)向測量，反映該隧洞不同地段的注漿大概特征。

圖4是1130環(huán)處半圓的雷達剖面測量，從該剖面可以看出，該段剖面管片的厚度在28～30cm之間，在40～50cm之間有一層彎曲不平的強反射面，推斷在此之間可能有金屬網(wǎng)存在。隧洞的圍巖推斷為60～70cm之間變化，在洞壁的外側(cè)存在一層反射面，推斷可能是隧洞施工形成的松動帶，在剖面中部的虛線框內(nèi)為注漿相對欠實區(qū)，在欠實區(qū)內(nèi)有厚度約10cm的脫空區(qū)。

圖3 1290環(huán)處從右側(cè) (面向上游)下部向上約1/4環(huán)的雷達探測解釋圖

圖4 1130環(huán)處半環(huán)形雷達測量解釋剖面圖

6 結(jié)語

達坂隧洞通過此次灌注及灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達檢測試驗工作形成的雷達影像圖及資料分析，明確顯示管片鋼筋分布和部分異常管片厚度，探測出隧洞圍巖壁、一次襯砌、注漿密實狀態(tài)。雖然異常還需進一步驗證，但從資料上分析，測試剖面異常幅度明顯，證明該方法有效，能夠反映出隧洞襯砌及灌注質(zhì)量的異常和工程隱患的存在。所以選擇地質(zhì)雷達探測技術(shù)作為達坂隧洞襯砌灌注及灌漿質(zhì)量的有效檢測方法是可行的。

1 王惠濂，李大心.脈沖時間域探地雷達講座 (連載).國外地質(zhì)勘探技術(shù)，1989， (10):26-31; (11):32-36;(12):33-39;1990，(1):34-40

2 韓吉民.地質(zhì)雷達在水庫防滲墻隱患檢測應(yīng)用特征.中國地球物理.2004