公路隧道襯砌質(zhì)量缺陷及雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

賈金曉 張 逸 趙益鑫

（招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司，重慶 400000）

在公路隧道建設(shè)初期，受限于施工工藝落后、施工管理水平低、質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)較為落后等方面因素，導(dǎo)致隧道在建設(shè)過(guò)程中、現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)一些質(zhì)質(zhì)量缺陷如：襯砌背后空洞、欠厚、不密實(shí)、防水板卷入襯砌等。導(dǎo)致了隧道運(yùn)營(yíng)安全和使用壽命受到影響。因此，在隧道施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)并消除質(zhì)量缺陷對(duì)隧道安全運(yùn)營(yíng)尤其重要?，F(xiàn)階段以地質(zhì)雷達(dá)法為代表的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在隧道質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。田海洋等人采用圖像特征分析技術(shù)，提高了隧道襯砌雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)辨識(shí)精度[3]；崔廣炎等利用地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)隧道襯砌典型病害進(jìn)行辨識(shí)方法研究[4]。本文在基于大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例，對(duì)隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷進(jìn)行分類，提出了各類質(zhì)量缺陷的形成原因及防治建議，并總結(jié)了各類質(zhì)量缺陷的電磁波反射特征。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)有硬件、數(shù)據(jù)采集軟件及后處理軟件構(gòu)成。硬件包括：發(fā)射及接收天線、控制器、連接線等部分。

其工作原理是：發(fā)射器通過(guò)發(fā)射天線向隧道襯砌與圍巖中定向發(fā)射電磁波，工作時(shí)天線貼在襯砌表面或路面，儀器與工作人員均在高空作業(yè)車上或汽車內(nèi)，共同隨汽車的勻速行駛向前移動(dòng)。在地下定向傳播的電磁波當(dāng)遇到有電性（介電常數(shù)和電導(dǎo)率）差異的界面時(shí)即發(fā)生反射。反射波由處于接收狀態(tài)的接收天線和接收器所接收。另外，最先收到由發(fā)射天線經(jīng)天線所在襯砌表面到達(dá)接收天線的直達(dá)波并作為系統(tǒng)時(shí)間的零點(diǎn)。通過(guò)對(duì)反射波信號(hào)進(jìn)行一系列的后處理（輸入有關(guān)參數(shù)、濾波、放大、改變顯示方式和編輯等）后，取反射波往返時(shí)間之半，乘以相應(yīng)介質(zhì)的雷達(dá)波速度即為反射目標(biāo)深度。再根據(jù)反射波的強(qiáng)度、形狀及其在縱向和豎（環(huán)）向上的變化情況來(lái)判別反射目標(biāo)的性質(zhì)（目標(biāo)識(shí)別），如襯砌厚度、圍巖空洞及裂縫等。圖1、圖2 分別為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理和地質(zhì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)探測(cè)示意圖。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

圖2 地質(zhì)雷達(dá)動(dòng)態(tài)探測(cè)示意圖

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)適用性分析

在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中，混凝土、鋼筋、鋼拱架、空隙、防水卷材等物質(zhì)的介電常數(shù)存在明顯差異。在進(jìn)行隧道襯砌檢測(cè)時(shí)，為了減少空氣的干擾，天線需要緊貼在襯砌表面上，電磁波通過(guò)天線進(jìn)入混凝土襯砌中，遇到不同材料時(shí)，由于介電常數(shù)的差異就會(huì)產(chǎn)生反射，反射波回到接收天線后，由反射波的走時(shí)和速度，可以計(jì)算得出天線距反射面的距離。隧道襯砌結(jié)構(gòu)中常見物質(zhì)介電常數(shù)見表1 所示。

表1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)中常見物質(zhì)介電常數(shù)

3 襯砌質(zhì)量缺陷形式及電磁波特征

公路隧道襯砌質(zhì)量缺陷主要可分為4 種：襯砌空洞、襯砌不密實(shí)、襯砌欠厚、防水板材卷入襯砌。表2 為襯砌混凝土質(zhì)量缺陷及相應(yīng)的病害特征。

表2 隧道襯砌混凝土質(zhì)量缺陷及病害特征

3.1 襯砌空洞

隧道空洞病害主要發(fā)生在初期支護(hù)與圍巖之間、二次襯砌與初期支護(hù)之間。初期支護(hù)與圍巖之間的空洞往往由于施工超挖引起，大面積的初期支護(hù)背后空洞易引起圍巖（特別是圍巖地質(zhì)情況較差）二次脫落，進(jìn)而誘發(fā)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂變形、坍塌關(guān)門等事故；初期支護(hù)與二襯間的空洞多出現(xiàn)在拱部（尤其是拱頂區(qū)域），產(chǎn)生原因主要有以下幾方面：

a.施工工藝不成熟，導(dǎo)致拱部混凝土的飽滿程度不夠；

b.混凝土干縮，造成二襯與初期支護(hù)間不密貼；

c.防水層過(guò)于緊繃，造成防水板背后空洞。

電磁波反射特征：圖3 為初期支護(hù)與二襯間空洞及雷達(dá)波形圖，空洞結(jié)構(gòu)一般為混凝土（鋼筋）- 空氣- 巖石混凝土（鋼筋），混凝土、空氣、巖石都屬于高阻介質(zhì)，介電常數(shù)差異決定了反射系數(shù)。電磁波由混凝土（相對(duì)介電常數(shù)為6.4）進(jìn)入空氣（相對(duì)介電常數(shù)為1.0），電磁波發(fā)生較強(qiáng)正反射，反射波相位不變，與子波相位一致。

圖3 襯砌空洞及雷達(dá)波形特征圖

防治建議：

a.采用帶模注漿工藝；

b.安裝壓力傳感器等裝置對(duì)二次襯砌澆筑飽滿程度進(jìn)行判別；

c.確保防水卷材鋪設(shè)松緊適當(dāng)。

3.2 襯砌欠厚

二次襯砌欠厚是施工中常見的質(zhì)量問(wèn)題，主要原因分析如下：

a.澆筑工藝不成熟，難以判別拱頂區(qū)域混凝土的飽滿程度，造成拱頂混凝土澆筑量不夠形成空洞，導(dǎo)致厚度不足；

b.對(duì)欠挖情況未進(jìn)行處理，導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入二次襯砌建筑限界；

c.由于測(cè)量不準(zhǔn)確，隧道開挖軸線出現(xiàn)偏位，導(dǎo)致一側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足；

d.初期支護(hù)鋼架變形侵入二次襯砌限界。

e.臺(tái)車固定不牢，混凝土澆筑時(shí)臺(tái)車偏位引起襯砌厚度不足；

f.防水層松弛度過(guò)小，襯砌拱部繃緊，壓縮了二次襯砌空間；防水層松弛度過(guò)大，導(dǎo)致其在襯砌背后形成褶皺堆積，侵占二次襯砌空間。

如圖4 所示，隧道拱部襯砌局部嚴(yán)重欠厚，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均，局部應(yīng)力集中，發(fā)生剝落；雷達(dá)波形特征表現(xiàn)為：初期支護(hù)鋼拱架表現(xiàn)為月牙形反射，無(wú)限靠近首波界面。

圖4 襯砌局部欠厚及雷達(dá)波形特征圖

防治建議：

a.開挖時(shí)控制好圍巖超欠挖，對(duì)欠挖部分進(jìn)行處理后方可進(jìn)行后續(xù)施工；

b.嚴(yán)格開挖階段、臺(tái)車固定階段的測(cè)量放樣；

c. 確保防水卷材鋪設(shè)松緊適當(dāng)；

d. 確保初期支護(hù)鋼架安裝定位準(zhǔn)確等。

3.3 襯砌不密實(shí)

襯砌不密實(shí)產(chǎn)生原因主要有以下方面：

a. 混凝土配合比不當(dāng)；

b.澆筑過(guò)程中，二次襯砌模板臺(tái)車密封差，導(dǎo)致水泥漿液流失；

c. 漏振或振搗時(shí)間不夠造成模筑混凝土局部不均勻等。

雷達(dá)波形特征一般表現(xiàn)為：電磁波多呈現(xiàn)雜亂不規(guī)則的點(diǎn)狀強(qiáng)反射特征，如圖5 所示。

圖5 襯砌局部不密實(shí)及雷達(dá)波形特征圖

防治建議：嚴(yán)格控制混凝土拌合料配合比工序；確保二次襯砌澆筑臺(tái)車密封效果，防止漏漿；澆筑過(guò)程中充分振搗。

3.4 防水板卷入襯砌

防水板是初期支護(hù)與二襯之間的隔水層。通常情況下，防水板卷入襯砌并不常見，且主要出現(xiàn)在二次襯砌為素砼的情況下。防水板卷入襯砌會(huì)造成襯砌在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中局部開裂，甚至大面積剝落掉塊。因防水板松弛度過(guò)大卷入襯砌，一般為雙層卷入，在混凝土充分干縮后，空隙體積變大，地質(zhì)雷達(dá)可識(shí)別（見圖6）；主要有兩個(gè)產(chǎn)生原因：

圖6 防水板卷入襯砌及雷達(dá)波形特征圖

a.防水板存在破損未進(jìn)行修補(bǔ)，澆筑混凝土流入防水板后；

b.防水板松弛度過(guò)大。

雷達(dá)波形特征一般表現(xiàn)為：首波與初期支護(hù)反射界面之間多了一條反射界面，該反射界面由初期支護(hù)部位延伸出來(lái)；由于防水卷材介電常數(shù)較小，電磁波由混凝土進(jìn)入防水卷材時(shí)發(fā)生正反射，反射波相位不變，與子波相位一致。

防治建議：加強(qiáng)防水卷材固定措施；防水卷材鋪設(shè)松緊適當(dāng)；二次襯砌混凝土澆筑前進(jìn)行檢查，確保防水板完好。

4 結(jié)論

4.1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)的重要手段，電磁波在二次襯砌各種質(zhì)量缺陷形式探測(cè)中有明顯的反射特征。利用電磁波在不同襯砌質(zhì)量缺陷中的反射特征，可以對(duì)隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷進(jìn)行檢測(cè)、分類，為質(zhì)量缺陷的處理提供針對(duì)性較強(qiáng)的依據(jù)。

4.2 綜合對(duì)襯砌質(zhì)量缺陷成因分析，可以發(fā)現(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量缺陷主要形成于建設(shè)過(guò)程中。因此為了提升工程質(zhì)量，確保隧道使用壽命及運(yùn)營(yíng)安全，加強(qiáng)建設(shè)過(guò)程中質(zhì)量管控是必由之路。

4.3 為了提高隧道襯砌質(zhì)量，減少缺陷，應(yīng)嚴(yán)格施工管理，推動(dòng)施工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。