新疆达坂隧洞灌注及灌浆质量地质雷达测试技术探析

杨建明

(新疆伊犁河流域开发建设管理局 乌鲁木齐 830000)

1 引言

隧洞灌注及灌浆质量常规的检测是通过钻孔中用声波或超声波以及钻孔取芯测试的方法，该方法可靠，但使用该方法有一定的局限性，只能单点抽查，不能连续测量，对衬砌层具有一定的破坏性，其检查频度和数量受到严格限制，具有抽样的随机性，不能做全洞段连续检测。

地质雷达技术能够对隧道衬砌厚度及灌注情况进行检测以定性评价隧道衬砌及灌注质量。其对衬砌厚度的检测误差一般不超5cm;对灌注情况的检测，能观察到灌注体的分布，能检测出灌注体同围岩的接触情况，可检测出灌注的密实情况及灌注体是否欠实、是否有空洞及空洞大小，空洞是否充水等情况;还可检测出衬砌是否有裂缝、衬砌体中钢筋及钢筋的数量、密度。该技术是一种无损检测技术，对施工基本没有影响。可在隧道衬砌表面任何部位做连续检测，检测效率高，检测结果以实时彩色深度剖面形式显示，直观、可靠度高。

采用地质雷达、声波、超声波以及适量钻孔取样相结合的方法，探测衬砌强度、衬砌厚度，探测衬砌与围岩 (或一衬)之间的灌注情况，探测衬砌体、灌注体和围岩的波速等，可以为评价施工质量、进行工程处理提供依据。

2 达坂隧洞工程概况及地质情况

新疆达坂隧洞全长30.69km，上游6.5km长洞段采用钻爆法施工，下游24.19km长洞段采用全断面双护盾TBM自隧洞出口向上游掘进。TBM施工段设计开挖直径为6.79m，预制钢筋混凝土管片衬砌结构，管片宽1.6m，厚28cm，衬砌后内径6.0m。

达坂隧洞松散破碎的Ⅳ类、Ⅴ类围岩占93.32%，Ⅱ类、Ⅲ类围岩占6.68%，掘进过程中经历断层破碎带、富水洞段、高地应力洞段、泥质膨胀岩洞段等不良地质洞段。地层产状变化频繁，层间错动现象普遍，节理裂隙发育，围岩自稳能力差，围岩缩径，塌方现象严重。

3 达坂隧洞灌浆质量地质雷达探测机理

达坂隧洞此次试验采用的地质雷达利用高频电磁波 (主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫)以宽频带短脉冲形式，由发射天线T发出，通过地面进入地下，经地下地层或目标体反射后返回地面，为接收天线R所接收 (见图1)。

脉冲波行程需时:

式中 v——地下介质中的波速，m/ns;

t——测得的时间值，ns。

由上式求出反射体的深度，式中x值在剖面探测中是固定的;v值可以用宽角方式直接测量，也可以根据近似计算出。

雷达图通常以脉冲反射波的形式记录，图2为波形记录的示意图，在图2上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面(GPR剖面)，经过资料的后处理就可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。

4 隧道衬砌和灌注质量地质雷达探测试验可行性分析

4.1 达坂隧洞工程隐患目标体探测的理论分析

达坂隧洞灌注检测主要回答以下几个问题:①灌注是否填实到位;②是否有空洞或回填欠实;③钢筋密度是否符合要求;④预制衬砌管片是否有裂缝等其他隐患等。以此对灌注质量进行评价，为补救处理提供依据。

检测对象为四种介质:①洞壁围岩——含砾土层;②衬砌管片;③灌注体——豆粒石及水泥(砂)浆;④可能形成的空洞和欠实松散区。

自然界中每一种物质的电磁特性都不一样，即使同一种物质由于其含水程度、颗粒空隙度的不同其电磁反射特性也不同。表1是几种物质的电磁特性参数表。

表1 几种介质的电磁特性参数

隧洞衬砌管片、洞壁之间的灌注体分布状况和欠实区、洞壁坍塌和空洞以及富水区的分布探测，是利用上述几种介质 (材料)本身的介电常数不同，加上探测部位的空隙度变化，其含空气或水程度不同，造成介质的电磁参数差异变大，能形成明显的电磁界面。地质雷达使用的是高频电磁波，其传播速度主要由物质介电常数的大小来决定。电磁波遇到不同的波阻抗界面 (如隧道拱顶的脱空、不密实、离析等界面)将会产生反射和透射。在混凝土衬砌体与围岩间、二次衬砌与一次衬砌间、衬砌体内部、灌注体及其与管片之间存在空洞、不密实、离析等情况时，由于介电差异，能产生明显的电磁反射面，采用地质雷达能够探测其位置分布和大小，所以选择地质雷达探测技术作为隧道衬砌灌注质量的有效检测方法之一是可行的。

4.2 达坂隧洞地质雷达探测工程隐患分辨率分析

分辨率是探测方法识别能力，通常被定义为区分工程隐患界面顶部和底部反射的能力。它主要依赖于:①发射脉冲的频率和振幅;②围岩的电性和电磁波穿透性;③地质的复杂化;④人文设施或其附近、地表物体的干扰;⑤目标的深度、形状和大小;⑥目标物的介电常数。本次探测范围是从管片向外1m左右，个别地段可能达到1.5m左右，必须选择最佳的雷达天线探测频率，表2是雷达不同天线探测的水平分辨率表。

表2 雷达不同频率、不同介质水平分辨率单位:m

从表2中可知，采用1000MHz在混凝土中可以分辨水平范围40cm左右的隐患异常。

表3是目前已有的雷达天线在不同介质中的垂向分辨率，在不同介质中采用不同的频率从理论上计算，可以探测选择深度方向的最大分辨率。

表3 不同频率、介质中地质雷达的垂向分辨率 单位:m

从表3可以看出，在混凝土介质中采用1GHz的天线，可以分辨垂向3cm的异常。

根据上述分析，在达坂隧洞内检测采用1GHz的天线，可以探测混凝土内厚度3cm，宽度40cm的隐患异常。

5 探测成果分析

由于此次达坂隧洞灌注及灌浆质量检测工作共完成11条测试剖面，测点6905个，剖面长度103m，形成的雷达影像图较多，在此只抽取检测过程中较典型检测图像进行阐述。

5.1 隧洞中已探测段管片成像特征

在隧洞中共计测量了8条剖面，其中在隧洞的顶部轴向测量有5条，在每条的测线上都能清楚地反映大部分管片钢筋是两层均匀分布，在有些部位也发现钢筋距离偏大，管片表层有金属块及混凝土和钢筋没有捣实的现象。

从图3初步可以看出在管片的环向上同样有两层钢筋，钢筋的平面间距在20～25cm，钢筋分布大致均匀，有个别分布不均，在大框内表示混凝土构件内部钢筋位置没有振捣密实，小框内表示在此位置的管片表面有金属物体。

5.2 隧洞注浆回填质量检测成果

隧洞质量检测共完成5个顶部的轴向测量，3个环向测量，反映该隧洞不同地段的注浆大概特征。

图4是1130环处半圆的雷达剖面测量，从该剖面可以看出，该段剖面管片的厚度在28～30cm之间，在40～50cm之间有一层弯曲不平的强反射面，推断在此之间可能有金属网存在。隧洞的围岩推断为60～70cm之间变化，在洞壁的外侧存在一层反射面，推断可能是隧洞施工形成的松动带，在剖面中部的虚线框内为注浆相对欠实区，在欠实区内有厚度约10cm的脱空区。

图3 1290环处从右侧 (面向上游)下部向上约1/4环的雷达探测解释图

图4 1130环处半环形雷达测量解释剖面图

6 结语

达坂隧洞通过此次灌注及灌浆质量地质雷达检测试验工作形成的雷达影像图及资料分析，明确显示管片钢筋分布和部分异常管片厚度，探测出隧洞围岩壁、一次衬砌、注浆密实状态。虽然异常还需进一步验证，但从资料上分析，测试剖面异常幅度明显，证明该方法有效，能够反映出隧洞衬砌及灌注质量的异常和工程隐患的存在。所以选择地质雷达探测技术作为达坂隧洞衬砌灌注及灌浆质量的有效检测方法是可行的。

1 王惠濂，李大心.脉冲时间域探地雷达讲座 (连载).国外地质勘探技术，1989， (10):26-31; (11):32-36;(12):33-39;1990，(1):34-40

2 韩吉民.地质雷达在水库防渗墙隐患检测应用特征.中国地球物理.2004