何燦高，劉慶國(guó)

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

在水利工程建設(shè)中，隧洞工程越來(lái)越多，TBM（硬巖掘進(jìn)機(jī)）與盾構(gòu)施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但主要應(yīng)用于大斷面的隧洞施工中。小直徑的隧道通常采用鉆爆法施工，施工效率低，安全問(wèn)題突出。頂管施工具有速度快、隧洞一次成型、頂進(jìn)距離長(zhǎng)、環(huán)保、安全、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在小直徑水工隧洞方面更具優(yōu)勢(shì)[1]。

采用頂管施工技術(shù)，隧洞開(kāi)挖洞徑略大于預(yù)制管道外徑，在頂進(jìn)過(guò)程中，洞底普遍存在沉渣，外壁與圍巖的空間進(jìn)一步被壓縮，待施工完畢后，實(shí)際可能只有數(shù)厘米，甚至部分管道外壁與圍巖直接接觸。盾構(gòu)或鉆爆法施工隧洞竣工后多對(duì)襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，多年來(lái)業(yè)內(nèi)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。頂管施工中管壁與圍巖縫隙較小，回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)難度大，對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了新要求。

1 工程概況

某大（2）型水利樞紐工程控制流域面積439 km2，總庫(kù)容1.52億m3，多年平均供水1.04億m3，總投資38.68億元，工程建成后可以滿足沿線居民飲水及農(nóng)田灌溉用水需求，同時(shí)承擔(dān)中心城區(qū)380萬(wàn)人的生活應(yīng)急供水任務(wù)。該工程由大壩樞紐工程及輸水線路工程組成，輸水線路包括7座無(wú)壓隧洞、4條施工支洞、7座暗涵、2座渡槽、3座倒虹吸、6個(gè)分水口、4座檢修洞、1座退水閘、1座節(jié)制閘及沿線的排水排氣放空閥井等附屬建筑物等。

無(wú)壓隧洞施工是輸水線路工程的控制性工程，采用AVN2000泥水平衡型硬巖頂管機(jī)施工，頂管為內(nèi)徑2.65 m、外徑3.17 m、單節(jié)長(zhǎng)2.5 m的預(yù)制管道。隧洞圍巖為侏羅紀(jì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，圍巖類型為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖居多。

2 檢測(cè)方法與技術(shù)

2.1 方法原理

探地雷達(dá)法是利用高頻電磁波的反射來(lái)探測(cè)有電性差異的界面或目標(biāo)體的一種物探技術(shù)。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，通過(guò)發(fā)射天線（T）向前發(fā)射，當(dāng)遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射，并返回被接收天線（R）接收，并由主機(jī)記錄下來(lái)，形成雷達(dá)測(cè)試剖面圖[2-5]。

電磁波在界面上的反射和透射遵循Snell定律，反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度與界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)有關(guān)，主要取決于周圍介質(zhì)與反射目的體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)。

應(yīng)用雷達(dá)記錄的雙程反射時(shí)間可以求得目的層的深度：

式中：t為目的層雷達(dá)波的反射時(shí)間（ns）；c為雷達(dá)波在真空中的傳播速度（0.3 m/ns）；εr為目的層以上介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)均值。

檢測(cè)主要采用剖面法，其為發(fā)射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測(cè)線同步移動(dòng)的一種測(cè)量方式。

2.2 檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

本次檢測(cè)使用RAMAC/GPR雷達(dá)系統(tǒng)，配備800MHz天線及相應(yīng)附屬設(shè)備。采樣頻率為12158MHz，采樣間隔0.05 m，采樣點(diǎn)數(shù)186，時(shí)窗15 ns，進(jìn)行64次疊加。

2.3 數(shù)據(jù)處理及解釋

采用Reflexw-2D軟件，對(duì)實(shí)測(cè)雷達(dá)剖面按如下步驟依次進(jìn)行處理。

（1）剖面長(zhǎng)度校正。將實(shí)測(cè)剖面長(zhǎng)度校正至實(shí)際剖面長(zhǎng)度，以減小測(cè)距輪誤差，還原真實(shí)位置。

（2）靜校正（static correction）。切除直達(dá)波信號(hào)干擾，把時(shí)間校正到地面零點(diǎn)。

（3）去零點(diǎn)漂移（subtract-mean（dewow））。使采集信號(hào)歸位至零點(diǎn)基線。

（4）增強(qiáng)深部信號(hào)（energy decay）。放大顯示因能量衰減導(dǎo)致信號(hào)弱的深部反射信號(hào)。

（5）去除背景信號(hào)（subtracting average）。去除背景信號(hào)，突出顯示局部弱小異常信號(hào)。

（6）巴特沃斯帶通濾波（bandpass buterworth）。去除干擾、目標(biāo)信號(hào)之外頻段的信號(hào)，保留目標(biāo)頻段信號(hào)。

（7）滑動(dòng)平均（running average）。對(duì)信號(hào)進(jìn)行圓滑處理，去除毛刺等高頻信號(hào)，以最佳方式顯示處理成果。

電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、場(chǎng)強(qiáng)度以及波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。根據(jù)接收到的電磁波特征，即波的旅行時(shí)間、幅度、頻率和波形等，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行處理和分析，將雷達(dá)圖像特征與被檢測(cè)介質(zhì)特征建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到質(zhì)量檢測(cè)目的。

3 工作布置

沿各無(wú)壓隧洞管道頂拱中心線，順洞向布置雷達(dá)測(cè)線。

4 檢測(cè)成果

對(duì)檢測(cè)的雷達(dá)圖像進(jìn)行處理和分析，歸納典型雷達(dá)異常圖像有如下5種。

4.1 拋物線狀信號(hào)

在相鄰管道接縫處，雷達(dá)圖像呈拋物線狀強(qiáng)振幅特征，典型圖像如圖1中橢圓圈內(nèi)所示，此類異常為典型的單點(diǎn)強(qiáng)反射信號(hào)。

圖1 典型雷達(dá)圖像

相鄰管道間的接縫處設(shè)計(jì)為順洞向厚約2 cm的木質(zhì)墊片，管道外壁包裹有寬10 cm的保護(hù)鋼板，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，木質(zhì)墊片與金屬鋼板介電常數(shù)差異較大，在接縫處形成電磁波強(qiáng)反射界面，拋物線狀信號(hào)即為鋼板反射信號(hào)。

圖2 管道接縫處結(jié)構(gòu)

通過(guò)管壁厚度標(biāo)定電磁波速為0.1 m/ns，與混凝土電磁波速經(jīng)驗(yàn)值一致，同時(shí)可確定圖像中管道外壁位置，見(jiàn)圖1中虛線，并作為標(biāo)志層進(jìn)一步確定圖像中其他異常對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置。

4.2 無(wú)明顯強(qiáng)反射信號(hào)

頂管外壁標(biāo)志層以外2～3 cm范圍內(nèi)，雷達(dá)圖像無(wú)明顯反射信號(hào)，典型圖像如圖1中正方形內(nèi)所示，說(shuō)明回填灌漿質(zhì)量較好或圍巖較完整無(wú)裂隙發(fā)育。

4.3 頂管外壁較遠(yuǎn)處振幅較強(qiáng)的反射信號(hào)

頂管外壁標(biāo)志層以外大于10 cm，雷達(dá)圖像出現(xiàn)振幅較強(qiáng)且延續(xù)范圍較大的反射信號(hào)，形成單一層狀、連續(xù)的反射軸，典型圖像如圖1中長(zhǎng)方形內(nèi)所示，此類異常代表介質(zhì)差異極大的強(qiáng)反射界面的反射信號(hào)。

結(jié)合施工工藝分析認(rèn)為，隧洞掘進(jìn)后圍巖內(nèi)部形成松弛巖體，尤其本工程圍巖為泥巖類，遇水后容易崩解，再加上裂隙發(fā)育等原因，整體滑落坍塌在管外壁上，圍巖內(nèi)部形成空氣層。圖1中此類異常位于管外壁標(biāo)志層以外約40 cm，反射面連續(xù)可追蹤，坍塌巖體順洞向長(zhǎng)約17 m。

4.4 頂管外壁附近振幅較強(qiáng)的反射信號(hào)

頂管外壁標(biāo)志層以外2～3 cm范圍內(nèi)，雷達(dá)圖像出現(xiàn)振幅較強(qiáng)的反射信號(hào)，形成單一層狀反射軸，典型圖像如圖3橢圓圈內(nèi)所示。此類異常與上述第三類異常性質(zhì)相同，代表介質(zhì)差異極大的強(qiáng)反射界面的反射信號(hào)，本工程中多為空氣層與圍巖、管壁形成的反射界面，說(shuō)明頂管外壁出現(xiàn)脫空。

圖3 脫空段雷達(dá)圖像

對(duì)圖3中第一處異常進(jìn)行鉆孔取芯驗(yàn)證并采用鉆孔電視儀錄像，錄像成果如圖4中左側(cè)圖像所示，管壁外側(cè)與圍巖之間存在厚度約為2 cm的脫空，與雷達(dá)判定結(jié)果一致。

圖4 鉆孔驗(yàn)證錄像

4.5 頂管外壁附近振幅相對(duì)較強(qiáng)的反射信號(hào)

頂管外壁標(biāo)志層以外2～3 cm，雷達(dá)圖像出現(xiàn)振幅相對(duì)較強(qiáng)的反射信號(hào)，且同相軸相對(duì)雜亂，典型圖像如圖5—6中橢圓圈內(nèi)所示，此類異常不如脫空類異常信號(hào)強(qiáng)，多為介質(zhì)內(nèi)存在較弱反射界面或介質(zhì)不均一，缺陷程度相比脫空而言較輕，在本工程中代表回填灌漿不密實(shí)或者圍巖內(nèi)部發(fā)育裂隙。

圖5 回填灌漿不密實(shí)段雷達(dá)圖像

圖6 圍巖裂隙發(fā)育段雷達(dá)圖像

分別對(duì)該2處異常進(jìn)行鉆孔取芯驗(yàn)證并錄像，錄像成果如圖4中間及右側(cè)圖像所示。中間圖像可見(jiàn)泥漿中有細(xì)微裂縫，回填灌漿密實(shí)度稍差；右側(cè)圖像可見(jiàn)管壁外側(cè)與圍巖接觸緊密，但附近圍巖內(nèi)發(fā)育微小裂隙，局部巖體完整性差。鉆孔錄像揭露情況與雷達(dá)判定情況基本一致，說(shuō)明該類異常多由灌漿密實(shí)度稍差或圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育所致。

本工程各無(wú)壓隧洞檢測(cè)總長(zhǎng)約14.7 km，對(duì)上述各種雷達(dá)異常進(jìn)行歸類并統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表1。對(duì)脫空段異常處進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證并重新灌漿，以確保工程質(zhì)量。

表1 雷達(dá)異常及缺陷類型統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

在水工建筑物質(zhì)量檢測(cè)中，探地雷達(dá)法具備無(wú)損、快速、準(zhǔn)確、低成本等優(yōu)勢(shì)。本工程中對(duì)采用頂管技術(shù)施工的隧洞進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)識(shí)別相鄰管道接縫處鋼板反射雷達(dá)信號(hào)，確定雷達(dá)信號(hào)中管道外壁位置，并作為標(biāo)志層分析其他異常雷達(dá)信號(hào)，分別圈定了回填灌漿密實(shí)區(qū)、脫空區(qū)、不密實(shí)區(qū)（或基巖內(nèi)部裂隙發(fā)育區(qū)）及圍巖坍塌區(qū)分布位置，取得了良好檢測(cè)效果，可供類似工程借鑒。