地質雷達在公路隧道交工檢測中的應用

汪洋

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067）

1 引言

公路隧道交工驗收的目的是評價隧道工程質量是否符合技術標準及設計要求，是否可以移交下一階段施工或是否滿足通車要求。交工檢測結果直接反映了工程的質量。《公路工程竣（交）工驗收辦法實施細則》（交公路〔2010〕65 號，以下簡稱《實施細則》）要求隧道工程襯砌厚度合格率小于90%或有小于1/2 設計厚度的部位、空洞累計長度超過隧道長度的3%或單個空洞面積大于3 m2的情況需進行整改，且整改合格之后不能評優(yōu)良。因此，在公路隧道交工檢測中如何準確測定襯砌厚度、判斷襯砌背后有無空洞尤為關鍵。地質雷達無損檢測技術作為隧道工程質量檢測最常用的一種手段，廣泛應用于襯砌厚度及密實性、襯砌背后空洞、襯砌鋼筋等的檢測，具有快速、高效、準確的特點。

2 檢測方法

2.1 儀器選擇

地質雷達主機選擇：公路隧道交工檢測要求地質雷達主機具有高分辨率、高精度且便捷。目前，可供選擇的地質雷達主機中，國外的有美國SIR 型、意大利RIS 型、加拿大EKKO型、瑞典RAMAC 型等，國產的有LTD 型、GER 型等[1]，基本能滿足現(xiàn)場工作的需求。

地質雷達天線選擇：天線中心頻率決定了地質雷達的分辨率，而分辨率分為垂直分辨率和水平分辨率。一般情況下，按以下公式計算垂直分辨率和水平分辨率[2]：

式中，C為電磁波在大氣中的傳播速度，為3×108m/s；εr為相對介電常數(shù)，無量綱，取決于襯砌及圍巖的介電常數(shù)；f為天線中心頻率，Hz；H為異常體埋藏深度（厚度），m。

公路隧道交工檢測主要針對隧道二次襯砌部分，對于常見的兩車道、三車道隧道，二次襯砌厚度在0.3～0.6 m[3]，根據天線中心頻率與探測深度、分辨率的對應關系，一般選擇400～900 MHz 中心頻率天線[4]。

2.2 測線布置

根據《實施細則》中對隧道的要求，一般沿隧道縱向在拱頂、左右拱腰布置3 條連續(xù)測線進行檢測，如圖1 所示?，F(xiàn)場檢測時，將地質雷達主機放置于工作車上，操作人員隨車操作，同時將工作人員置于高空作業(yè)車上，工作人員須將地質雷達天線密貼于襯砌混凝土表面，工作車和高空作業(yè)車同步以5.0～10.0 km/h 的速度連續(xù)勻速行駛，沿隧道縱向逐條進行連續(xù)檢測，獲得原始圖像資料并進行解釋分析。

圖1 地質雷達測線布置

2.3 混凝土相對介電常數(shù)標定

一般在隧道洞門處或檢測過的測線部位鉆孔，通過鋼卷尺量取襯砌厚度值，再使用地質雷達在量取厚度值部位進行掃描，讀取雷達波傳播至襯砌底界面的往返旅行時間，根據式（1）計算該處混凝土相對介電常數(shù)值；在不同位置重復3 次上述步驟，取3 次結果計算混凝土相對介電常數(shù)平均值，作為檢測隧道混凝土相對介電常數(shù)代表值。對于常見的強度等級為C25～C35 的二次襯砌混凝土，相對介電常數(shù)取值為7.5[5]。

式中，h為襯砌厚度，m；t為雷達波傳播至襯砌底界面的往返旅行時間，s。

3 常見病害缺陷分析

采用地質雷達無損檢測技術開展公路隧道交工檢測，常見的病害缺陷有二次襯砌厚度不足、二次襯砌后脫空、二次襯砌不密實、防水板卷入二次襯砌等。

3.1 二次襯砌厚度不足

隧道欠挖或者鋼支撐安裝不規(guī)范，會造成二次襯砌厚度不足（二次襯砌厚度小于設計厚度），嚴重情況會造成二次襯砌厚度小于1/2 設計厚度，對隧道結構安全帶來重大隱患。在地質雷達成果剖面圖上，二次襯砌厚度界面表現(xiàn)為連續(xù)的同相軸形態(tài)容易被識別，通過與設計厚度進行比較，能快速發(fā)現(xiàn)二次襯砌厚度不足部位，如圖2 所示。

圖2 二次襯砌厚度不足

3.2 二次襯砌后脫空（空洞）

隧道拱頂二次襯砌施工時泵送混凝土壓力不足、混凝土干縮或防水板預留松緊度不夠等，會造成二次襯砌后脫空，脫空部位對應的二次襯砌還可能會出現(xiàn)厚度不足，同樣對隧道結構安全帶來重大隱患。在地質雷達成果剖面圖上，二次襯砌后脫空表現(xiàn)為連續(xù)的同相軸強反射和多次波形態(tài)，同樣能被快速識別，如圖3 所示。

圖3 二次襯砌后脫空

3.3 二次襯砌不密實

隧道二次襯砌施工時混凝土配合比選擇不當、振搗不到位、模板排氣孔不好等，會造成二次襯砌不密實。在地質雷達成果剖面圖上，二次襯砌不密實表現(xiàn)為雜亂的強反射形態(tài)，也能被快速識別，如圖4 所示。但相比二次襯砌厚度不足、二次襯砌后脫空，不密實對隧道結構安全的影響相對較小，因此，容易被遺漏。

圖4 二次襯砌不密實

3.4 防水板卷入二次襯砌

隧道施工時防水板過于松弛、破損等，會造成防水板卷入二次襯砌。此類病害會引起襯砌起層、剝落等，對隧道結構安全帶來重大隱患，同時也影響行車安全。在地質雷達成果剖面圖上，防水板卷入二次襯砌段表現(xiàn)為二次襯砌內連續(xù)的斜向同相軸形態(tài)，其對應的二次襯砌底與初期支護間無明顯的反射界面，與前后正常段形成明顯的反差，如圖5 所示。在實際工作中，由于工程技術人員經驗不足常造成誤判。

圖5 防水板卷入二次襯砌

4 存在問題及改進措施

4.1 存在問題

地質雷達無損檢測技術為公路隧道交工檢測提供了極大的便利，但仍存在以下問題：

1）采用地質雷達檢測時，為連續(xù)檢測，《實施細則》中僅明確了襯砌厚度合格率的要求，未明確單點襯砌厚度如何取值。

2）《實施細則》中對單個空洞面積有明確的要求，但采用傳統(tǒng)的測線布置無法估算空洞面積。

3）襯砌鋼筋作為襯砌的重要組成部分，鋼筋數(shù)量和環(huán)向間距的變化也影響隧道結構安全[6]，但《實施細則》中未涉及相關內容。

4.2 改進措施

1）結合JTG F80—2017《公路工程質量檢驗評定標準第一冊 土建工程》（以下簡稱《檢驗評定標準》）的要求，按每20 m 間距（地質雷達測線長度）統(tǒng)計襯砌厚度數(shù)據計算合格率，對于中短隧道考慮到數(shù)據樣本過少，可按10 m 間距統(tǒng)計。同時單洞兩車道以上的隧道，每增加一個車道，則在拱腰部位增加兩條縱向測線，以保證數(shù)據采集的全面。

2）當?shù)刭|雷達縱向連續(xù)檢測發(fā)現(xiàn)有脫空（空洞）缺陷部位時，還應在缺陷部位采取加布環(huán)向測線的方式進行檢測，測得缺陷縱向和環(huán)向長度之后再估算缺陷面積。

3）參照《檢驗評定標準》中對襯砌鋼筋的要求，把地質雷達測得的鋼筋數(shù)量和環(huán)向間距數(shù)據，作為隧道交工檢測關鍵指標進行評價。

5 結語

以上改進措施作為《實施細則》的有效補充，能更好地發(fā)揮地質雷達在公路隧道交工檢測中的應用，保障隧道交工檢測評定指標客觀、真實。同時通過高效、便捷的病害缺陷排查并治理，提升隧道質量，延長其使用壽命，為工程建設保駕護航。