基于松陽(yáng)隧道的襯砌檢測(cè)研究

黃中磊，蘇繼軍，門 楊

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130026)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的鐵路和公路建設(shè)都取得了舉世矚目的成就.然而，隨著交通建設(shè)規(guī)模與數(shù)量的逐年遞增，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中暴露出來(lái)的隧道病害也急劇增加.隧道襯砌作為隧道的主要受力結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道的安全運(yùn)營(yíng)起非常重要的作用.但是，隧道施工受諸多因素的影響，襯砌混凝土可能會(huì)出現(xiàn)不夠密實(shí)、厚度不夠、脫空等質(zhì)量問(wèn)題.為及時(shí)發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土的質(zhì)量問(wèn)題，需采用一種全面快速的檢測(cè)方法[1].

過(guò)去，對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢查往往依靠鉆孔等破壞性手段，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢查范圍也有限，難以全面評(píng)估隧道的襯砌質(zhì)量，對(duì)隧道襯砌又有所損壞[2].目前，利用地質(zhì)雷達(dá)可以在不影響正常施工的情況下，對(duì)襯砌全面、連續(xù)、不間斷地快速檢測(cè).檢測(cè)完畢后，現(xiàn)場(chǎng)人員可以很快地準(zhǔn)確了解隧道襯砌在哪些部位(里程位置)存在著空洞甚至欠厚等缺陷以及缺陷的程度，找到產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因，然后制定整改措施以達(dá)到改進(jìn)隧道襯砌質(zhì)量的目的.

1 工作原理

圖1 探地雷達(dá)襯砌質(zhì)量檢測(cè)原理圖Fig.1 Ground penetrating radar lining quality testing principle diagram

探地雷達(dá)方法進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)是目前國(guó)內(nèi)外最常用的檢測(cè)方法之一，也是較為成熟的檢測(cè)方法，已被納入公路工程質(zhì)量檢測(cè)規(guī)范之中.它的工作原理是由發(fā)射天線向襯砌介質(zhì)發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波在襯砌介質(zhì)中遇到電性差異的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和散射，反射回襯砌表面的電磁波被接收天線接收并被雷達(dá)系統(tǒng)采集和顯示，根據(jù)所接收到的電磁信號(hào)在幅度、相位和時(shí)間上的變化特點(diǎn)來(lái)推斷襯砌中的缺陷[3].圖1為探地雷達(dá)襯砌質(zhì)量檢測(cè)的原理圖.

公式(1)中，二次襯砌介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為ε1，初襯介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)為ε2，則反射系數(shù)r為：

(1)

在探地雷達(dá)剖面上可以讀出缺陷位置的雙程走時(shí)t，根據(jù)在明洞上測(cè)出的電磁波在混凝土中的傳播速度v，根據(jù)公式v=2h/t可計(jì)算出缺陷部位的埋深.

2 實(shí)際工程應(yīng)用

2.1 檢測(cè)實(shí)例

2.1.1 工程簡(jiǎn)介

松陽(yáng)隧道位于撫松縣榆樹川鄉(xiāng)松陽(yáng)村西側(cè)約1 km，南西北東走向展布.設(shè)計(jì)為雙線分離式隧道，間隔為40～80 m.其中，右線起訖樁號(hào)為K265+330～K266+305，長(zhǎng)975 m；左線為ZK265+355～ZK266+270，長(zhǎng)915 m，屬中隧道.設(shè)計(jì)車速為80 km/h,設(shè)計(jì)年限100 ɑ，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為二級(jí).隧道左右線各三車道，隧道間設(shè)人行橫道.限界高度為5.0 m，行車道寬度為11.25 m，總寬度為14 m.

圖2 測(cè)線分布圖Fig.2 Measuring line distribution

2.1.2 測(cè)線布置

檢測(cè)的測(cè)線布置在隧道的拱頂、拱腰、邊墻及仰拱4個(gè)部位，共7條測(cè)線，見圖2.拱頂為隧道的正頂部附近，拱腰為距隧道路面以上5 m左右，邊墻為排水蓋板以上1.5 m左右,仰拱距排水溝外緣0.5 m左右.測(cè)量方式采用連續(xù)點(diǎn)測(cè)方式，測(cè)點(diǎn)間隔一般為幾厘米.為了保證探地雷達(dá)時(shí)間剖面上各測(cè)點(diǎn)的位置與實(shí)際檢測(cè)里程相對(duì)應(yīng)，在檢測(cè)時(shí)用測(cè)量輪跟蹤測(cè)量里程，并在隧道邊墻上每隔5 m做一個(gè)里程標(biāo)記，以校正剖面上的里程號(hào).檢測(cè)時(shí)，天線要緊貼洞壁，保持勻速運(yùn)動(dòng)，盡量避免天線的顛簸對(duì)時(shí)間剖面產(chǎn)生干擾.圖2為松陽(yáng)隧道襯砌檢測(cè)的測(cè)線布置圖.

本次測(cè)量中共布置了7條測(cè)線，分為左右仰拱測(cè)線、左右邊墻測(cè)線、左右拱腰測(cè)線和拱頂測(cè)線.邊墻測(cè)線和仰拱測(cè)線由人工推動(dòng)天線勻速檢測(cè)，采用每5 m一個(gè)標(biāo)記的方式記錄里程；拱腰和拱頂測(cè)線由鏟車推動(dòng)天線勻速檢測(cè)，仍然采用每5 m一個(gè)標(biāo)記的方式記錄里程.

2.1.3 設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

本次檢測(cè)使用的儀器是瑞典MALA公司生產(chǎn)的MALA X3M型探地雷達(dá)，使用的天線為500 MHz屏蔽天線.采樣長(zhǎng)度為512 m，時(shí)間窗口為30 ns，數(shù)據(jù)分辨率為16 bit，頻帶寬度為200～800 MHz，天線中心頻率為500 MHz.

2.2 地質(zhì)雷達(dá)資料的處理

原始的雷達(dá)檢測(cè)資料在未經(jīng)過(guò)任何變化與濾波的情況下，是無(wú)法得出隧道的襯砌情況的，只有使用相應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)資料處理軟件，方可進(jìn)行資料處理.資料處理主要是對(duì)波形作處理，包括增強(qiáng)有效信號(hào)、抑制隨機(jī)噪聲、壓制非異常體的雜亂回波來(lái)提高圖像的信噪比和分辨率[4].圖像判釋主要依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的正演成果和已知的地質(zhì)鉆探資料，分析所要探測(cè)目標(biāo)可能引起的異常的大小和形態(tài)，對(duì)獲得的雷達(dá)剖面進(jìn)行合理的地質(zhì)解釋，最終得到各測(cè)線的成果圖，以此對(duì)隧道的施工質(zhì)量進(jìn)行分析與評(píng)價(jià).圖3為處理后的數(shù)據(jù)分析圖像.

圖3 處理后的數(shù)據(jù)分析圖像Fig.3 The image of the data analysis after processing

2.2.1 混凝土離析

當(dāng)混凝土振搗不好時(shí)會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象，會(huì)降低混凝土的密實(shí)度，反映在探地雷達(dá)剖面上的是局部反射振幅不穩(wěn)定、反射相位不連續(xù)的異常.

2.2.2 二襯與初襯間厚度的確定

在隧道拱頂部位，當(dāng)二襯注漿不滿時(shí)與初襯間會(huì)出現(xiàn)空隙，反映在探地雷達(dá)剖面上的是局部出現(xiàn)強(qiáng)反射波同相軸.一般情況下，初襯和二襯的分界線不是很明顯，但初襯和巖石的接觸面由于介質(zhì)差別大，能在圖像中找到.

2.2.3 不密實(shí)帶的確定

不密實(shí)帶是指混凝土、回填層或漿砌片石中的某塊區(qū)域結(jié)構(gòu)疏松，密實(shí)程度差，有蜂窩狀孔隙或砂漿不飽滿的小空洞存在[5].不密實(shí)帶在雷達(dá)時(shí)間剖面圖上呈現(xiàn)局部強(qiáng)振幅反射或繞射，圖4為不密實(shí)示意圖.

2.2.4 襯砌中空洞的確定

隧道頂部超挖后未進(jìn)行填充，以木板搭接后噴射混凝土?xí)诔跻r與圍巖間形成空洞，在探地雷達(dá)剖面上會(huì)出現(xiàn)雙曲線形繞射異?，F(xiàn)象，拱頂脫空?qǐng)D像見圖5.

圖4 ZK266+199～ZK266+202左仰拱不密實(shí)Fig.4 Uncompacted of left inverted arch

圖5 YK265+976～YK265+979拱頂脫空Fig.5 Void of tunnel vault

3 結(jié)論

(1)隧道襯砌是隧道的主要承重結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道進(jìn)行施工質(zhì)量的檢測(cè)十分重要，地質(zhì)雷達(dá)能夠輕松快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道襯砌的檢測(cè).

(2)利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)質(zhì)量缺陷時(shí)，根據(jù)雷達(dá)時(shí)間剖面圖能夠較準(zhǔn)確地確定襯砌的厚度、鋼拱架與鋼筋網(wǎng)的分布與脫空不密實(shí)的情況.

(3)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的檢測(cè)速度快、效率高，適用于現(xiàn)場(chǎng)的大面積快速檢測(cè).

(4)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的精度與所取波速有關(guān)，而混凝土、鋼筋以及脫空區(qū)對(duì)電磁波都有一定的離散性.另外，電磁波速也受探測(cè)環(huán)境的影響，所以目前地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)還存在一定的誤差，需要進(jìn)一步完善.

(5) 檢測(cè)時(shí)，天線要緊貼洞壁，保持勻速運(yùn)動(dòng)，盡量避免天線的顛簸對(duì)時(shí)間剖面產(chǎn)生干擾.

參考文獻(xiàn)：

[1] 史常清.地質(zhì)雷達(dá)新技術(shù)在渝懷鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2004(1)：298-302.

[2] 周黎明，王法剛.地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)隧道襯砌混凝土質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究 [J].巖土工程界，2002(3):74 -76.

[3] 蔡建輝.地質(zhì)雷達(dá)在高等級(jí)公路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].公路交通技術(shù)，2002(2):87-89.

[4] 李二兵，譚躍虎，段建立.地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程檢測(cè)中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(2):267-270.

[5] 周俊峰，吳漢杰.高速公路隧道檢測(cè)中的地質(zhì)雷達(dá)波形分析及應(yīng)用[J].西部探礦工程，2005(3):128-130.