胡振興

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，各等級(jí)公路隧道興建。新奧法的基本原則表明，仰拱與二次襯砌閉合成環(huán)，在襯砌結(jié)構(gòu)受力中發(fā)揮靜力學(xué)上的“厚壁圓筒”作用，能有效抑制圍巖塑性區(qū)和周邊位移的發(fā)展，避免或減少底鼓現(xiàn)象發(fā)生。大量的工程實(shí)踐表明，以往公路隧道仰拱常存在厚度不足、鋼筋缺失、填充層中內(nèi)摻超標(biāo)片石或洞渣等病害。與傳統(tǒng)的鉆芯取樣法相比，地質(zhì)雷達(dá)憑借快速、無(wú)損等優(yōu)勢(shì)逐步被應(yīng)用于公路隧道仰拱檢測(cè)中。

一、地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理和方法

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)是基于不同介質(zhì)具有不同介電特性這一物理特征開展的，電磁波在傳播過(guò)程中遇到不同介質(zhì)時(shí)，波速、衰減、振幅、相位、頻率等特征會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)雷達(dá)天線發(fā)射與接收高頻電磁波，得到探測(cè)范圍內(nèi)部介質(zhì)的剖面成像，然后根據(jù)不同目標(biāo)體反射波的波相特征，結(jié)合各項(xiàng)探測(cè)參數(shù)及目標(biāo)體的基礎(chǔ)資料，推測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形態(tài)。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，在隧道中線左右兩側(cè)車道布設(shè)兩條縱向測(cè)線，采用連續(xù)測(cè)量的方法在施工成型的填充頂面或路面檢測(cè)仰拱結(jié)構(gòu)層的厚度及密實(shí)性，以縱向測(cè)線為主、橫向測(cè)線為輔，三車道隧道應(yīng)相應(yīng)增加測(cè)線數(shù)。

二、地質(zhì)雷達(dá)在隧道仰拱檢測(cè)中的運(yùn)用

本文選取了甘肅省關(guān)山隧道病害處置項(xiàng)目的雷達(dá)檢測(cè)效果展開分析。該隧道某段落內(nèi)混凝土路面開裂且破損嚴(yán)重，隧道中心線位置路面發(fā)生隆起和錯(cuò)臺(tái)。為查明原因，試驗(yàn)檢測(cè)了病害段落及處置后的仰拱結(jié)構(gòu)層。檢測(cè)采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，選用400MHz和200MHz兩種屏蔽天線組合使用。

（一）混凝土密實(shí)性檢測(cè)

項(xiàng)目組對(duì)該隧道的仰拱結(jié)構(gòu)層開展了病害檢測(cè)，在左右幅車道上距隧道中線1.5m和3.5m處分別布設(shè)了縱向測(cè)線連續(xù)檢測(cè)。雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，在病害段落內(nèi)距路面70cm～150cm范圍內(nèi)普遍存在松散脫空區(qū)和不密實(shí)帶。為進(jìn)一步查明病害并驗(yàn)證雷達(dá)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目組在病害段落內(nèi)選取了4個(gè)缺陷強(qiáng)反射區(qū)分別鉆孔取芯。4個(gè)探孔揭示，仰拱填充層距路面76cm～153cm范圍均為松散的碎石，芯樣不成型且局部位置芯樣缺失，驗(yàn)證結(jié)果表明該范圍內(nèi)混凝土存在松散脫空區(qū)和不密實(shí)帶。

通過(guò)對(duì)比，雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與取芯基本一致，說(shuō)明雷達(dá)檢測(cè)不密實(shí)帶和脫空區(qū)水平分布范圍及深度位置的結(jié)果準(zhǔn)確，但不密實(shí)帶及脫空區(qū)深度范圍與實(shí)際情況略有偏差。

此處選取1 # 探孔詳細(xì)說(shuō)明。如圖1 所示，k0+058～k0+068段400MHz天線仰拱檢測(cè)雷達(dá)剖面距路面75cm～150cm范圍內(nèi)k0+058～k0+064段為松散脫空區(qū)，表現(xiàn)為連續(xù)的層狀低頻強(qiáng)反射；k0+064～k0+068段為不密實(shí)帶，表現(xiàn)為分散的繞射弧形。其中k0+060的1#探孔處，雷達(dá)剖面顯示其脫空區(qū)的上限為90cm，下限為140cm。

圖1 k0+058～k0+068段雷達(dá)剖面

1#探孔的芯樣如圖2所示，總長(zhǎng)度為173cm，其中90cm～153cm段處于松散脫空區(qū)，芯樣基本為碎石且松散不成型，缺陷區(qū)深度范圍的下限存在13cm的誤差。返工處置開挖結(jié)果顯示，缺陷區(qū)的主要原因是混凝土中摻入大量超標(biāo)片石和洞渣導(dǎo)致。正是由于混凝土中片石、洞渣等夾層導(dǎo)致等效介電常數(shù)發(fā)生改變，電磁波在該區(qū)域中傳播時(shí)波速存在差異且變化較大，而雷達(dá)剖面上深度取值時(shí)仍采用混凝土的標(biāo)定波速。由于缺陷區(qū)材質(zhì)復(fù)雜，準(zhǔn)確的等效波速難以確定，導(dǎo)致深度范圍的下限值判別存在一定的誤差。

圖2 1#探孔芯樣照片對(duì)比

（二）混凝土厚度檢測(cè)

項(xiàng)目組跟蹤檢測(cè)了5次病害段落返工處置后的仰拱厚度，結(jié)果顯示靠近中心水溝的測(cè)線位置由于埋深較大，兩種天線的橫向分辨率均不足，雷達(dá)剖面上能有效顯示的為連續(xù)的高亮鋼筋反射層，難以分辨出鋼筋的數(shù)量和間距。鋼筋層的強(qiáng)反射信號(hào)向下輻射，仰拱混凝土與圍巖的低信噪比信號(hào)無(wú)法從剖面上提取出來(lái)，難以準(zhǔn)確區(qū)分仰拱與圍巖的分層界面，僅能大致拾取出該段測(cè)線位置仰拱頂面縱向埋深為152cm～160cm。此外，根據(jù)k0+065處200MHz天線橫向測(cè)線雷達(dá)剖面結(jié)果，0.8m～1.5m深度范圍內(nèi)靠近電纜槽一側(cè)的仰拱雙層鋼筋網(wǎng)反射信號(hào)較強(qiáng)，仰拱與相鄰結(jié)構(gòu)的分界面較為清晰，而1.5m以下深度范圍內(nèi)靠近中心水溝一側(cè)，鋼筋網(wǎng)的有效反射信號(hào)隨深度逐漸弱化，剖面上深層的干擾雜波信號(hào)逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。隨著電磁波能量的不斷衰減，仰拱及底部的反射信號(hào)幾乎消失。

試驗(yàn)結(jié)果表明，仰拱混凝土淺層的探測(cè)效果明顯優(yōu)于深層，仰拱淺層的厚度檢測(cè)較為可靠。在一定的地質(zhì)界面上，雷達(dá)天線的探測(cè)深度與分辨率成反比。隨著探測(cè)深度增加，雷達(dá)的探測(cè)精度隨之減小。在隧道仰拱檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)仰拱的具體設(shè)計(jì)厚度選擇中心頻率適宜的天線。

（三）介質(zhì)含水率對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響

根據(jù)5次病害處置后30d～65d齡期內(nèi)厚度跟蹤檢測(cè)的結(jié)果顯示，仰拱混凝土齡期的長(zhǎng)短會(huì)影響探測(cè)效果，干燥混凝土的雷達(dá)探測(cè)效果明顯優(yōu)于潮濕的混凝土。研究表明，隨著混凝土齡期增長(zhǎng)，雷達(dá)反射波的頻譜特征值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著混凝土含水率的升高，水在高頻電磁場(chǎng)的激發(fā)下產(chǎn)生了較強(qiáng)的附加電導(dǎo)率，其等效介電常數(shù)隨之增大，電磁波速和信號(hào)幅值不斷減小。關(guān)山隧道的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，仰拱結(jié)構(gòu)層混凝土理想的檢測(cè)齡期在60d以上。

三、結(jié)語(yǔ)

1.地質(zhì)雷達(dá)法可準(zhǔn)確地檢測(cè)仰拱結(jié)構(gòu)層混凝土脫空區(qū)及不密實(shí)帶的水平分布區(qū)域及深度位置，但缺陷區(qū)深度范圍的探測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定誤差。

2.地質(zhì)雷達(dá)可檢測(cè)仰拱鋼筋網(wǎng)、鋼架等分布情況，在厚度檢測(cè)方面，淺層探測(cè)效果的準(zhǔn)確度優(yōu)于深層。

3.介質(zhì)含水率會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，齡期越長(zhǎng)探測(cè)效果越理想，仰拱混凝土的檢測(cè)齡期建議在60d以上。

4.施工成型后的公路隧道仰拱，建議使用地質(zhì)雷達(dá)與鉆芯取樣相結(jié)合的方法完成檢測(cè)。