黃中磊，蘇繼軍，門 楊

(吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院， 吉林 長春130026)

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，我國的鐵路和公路建設(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，在運營過程中暴露出來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)，對隧道的安全運營起非常重要的作用.但是，隧道施工受諸多因素的影響，襯砌混凝土可能會出現(xiàn)不夠密實、厚度不夠、脫空等質(zhì)量問題.為及時發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土的質(zhì)量問題，需采用一種全面快速的檢測方法[1].

過去，對隧道襯砌質(zhì)量進行檢查往往依靠鉆孔等破壞性手段，費時費力，檢查范圍也有限，難以全面評估隧道的襯砌質(zhì)量，對隧道襯砌又有所損壞[2].目前，利用地質(zhì)雷達可以在不影響正常施工的情況下，對襯砌全面、連續(xù)、不間斷地快速檢測.檢測完畢后，現(xiàn)場人員可以很快地準(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)生這些問題的原因，然后制定整改措施以達到改進隧道襯砌質(zhì)量的目的.

1 工作原理

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

探地雷達方法進行隧道襯砌質(zhì)量的檢測是目前國內(nèi)外最常用的檢測方法之一，也是較為成熟的檢測方法，已被納入公路工程質(zhì)量檢測規(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會發(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系統(tǒng)采集和顯示，根據(jù)所接收到的電磁信號在幅度、相位和時間上的變化特點來推斷襯砌中的缺陷[3].圖1為探地雷達襯砌質(zhì)量檢測的原理圖.

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

(1)

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

2 實際工程應(yīng)用

2.1 檢測實例

2.1.1 工程簡介

松陽隧道位于撫松縣榆樹川鄉(xiāng)松陽村西側(cè)約1 km，南西北東走向展布.設(shè)計為雙線分離式隧道，間隔為40～80 m.其中，右線起訖樁號為K265+330～K266+305，長975 m；左線為ZK265+355～ZK266+270，長915 m，屬中隧道.設(shè)計車速為80 km/h,設(shè)計年限100 ɑ，設(shè)計安全等級為一級，結(jié)構(gòu)防水等級為二級.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 測線分布圖Fig.2 Measuring line distribution

2.1.2 測線布置

檢測的測線布置在隧道的拱頂、拱腰、邊墻及仰拱4個部位，共7條測線，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.測量方式采用連續(xù)點測方式，測點間隔一般為幾厘米.為了保證探地雷達時間剖面上各測點的位置與實際檢測里程相對應(yīng)，在檢測時用測量輪跟蹤測量里程，并在隧道邊墻上每隔5 m做一個里程標(biāo)記，以校正剖面上的里程號.檢測時，天線要緊貼洞壁，保持勻速運動，盡量避免天線的顛簸對時間剖面產(chǎn)生干擾.圖2為松陽隧道襯砌檢測的測線布置圖.

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

2.1.3 設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

本次檢測使用的儀器是瑞典MALA公司生產(chǎn)的MALA X3M型探地雷達，使用的天線為500 MHz屏蔽天線.采樣長度為512 m，時間窗口為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)雷達資料的處理

原始的雷達檢測資料在未經(jīng)過任何變化與濾波的情況下，是無法得出隧道的襯砌情況的，只有使用相應(yīng)的地質(zhì)雷達資料處理軟件，方可進行資料處理.資料處理主要是對波形作處理，包括增強有效信號、抑制隨機噪聲、壓制非異常體的雜亂回波來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)雷達圖像的正演成果和已知的地質(zhì)鉆探資料，分析所要探測目標(biāo)可能引起的異常的大小和形態(tài)，對獲得的雷達剖面進行合理的地質(zhì)解釋，最終得到各測線的成果圖，以此對隧道的施工質(zhì)量進行分析與評價.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)混凝土振搗不好時會出現(xiàn)離析現(xiàn)象，會降低混凝土的密實度，反映在探地雷達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)二襯注漿不滿時與初襯間會出現(xiàn)空隙，反映在探地雷達剖面上的是局部出現(xiàn)強反射波同相軸.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 不密實帶的確定

不密實帶是指混凝土、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].不密實帶在雷達時間剖面圖上呈現(xiàn)局部強振幅反射或繞射，圖4為不密實示意圖.

2.2.4 襯砌中空洞的確定

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

圖4 ZK266+199～ZK266+202左仰拱不密實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)，對隧道進行施工質(zhì)量的檢測十分重要，地質(zhì)雷達能夠輕松快速地實現(xiàn)對隧道襯砌的檢測.

(2)利用地質(zhì)雷達技術(shù)檢測質(zhì)量缺陷時，根據(jù)雷達時間剖面圖能夠較準(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的情況.

(3)地質(zhì)雷達技術(shù)的檢測速度快、效率高，適用于現(xiàn)場的大面積快速檢測.

(4)地質(zhì)雷達探測的精度與所取波速有關(guān)，而混凝土、鋼筋以及脫空區(qū)對電磁波都有一定的離散性.另外，電磁波速也受探測環(huán)境的影響，所以目前地質(zhì)雷達探測還存在一定的誤差，需要進一步完善.

(5) 檢測時，天線要緊貼洞壁，保持勻速運動，盡量避免天線的顛簸對時間剖面產(chǎn)生干擾.

參考文獻：

[1] 史常清.地質(zhì)雷達新技術(shù)在渝懷鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(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)雷達法檢測隧道襯砌混凝土質(zhì)量無損檢測中的應(yīng)用研究 [J].巖土工程界，2002(3):74 -76.

[3] 蔡建輝.地質(zhì)雷達在高等級公路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測中的應(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)雷達在隧道工程檢測中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報，2006(2):267-270.

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