基于松阳隧道的衬砌检测研究

黄中磊，苏继军，门 杨

(吉林大学 建设工程学院， 吉林 长春130026)

随着我国交通事业的发展，我国的铁路和公路建设都取得了举世瞩目的成就.然而，随着交通建设规模与数量的逐年递增，在运营过程中暴露出来的隧道病害也急剧增加.隧道衬砌作为隧道的主要受力结构，对隧道的安全运营起非常重要的作用.但是，隧道施工受诸多因素的影响，衬砌混凝土可能会出现不够密实、厚度不够、脱空等质量问题.为及时发现衬砌混凝土的质量问题，需采用一种全面快速的检测方法[1].

过去，对隧道衬砌质量进行检查往往依靠钻孔等破坏性手段，费时费力，检查范围也有限，难以全面评估隧道的衬砌质量，对隧道衬砌又有所损坏[2].目前，利用地质雷达可以在不影响正常施工的情况下，对衬砌全面、连续、不间断地快速检测.检测完毕后，现场人员可以很快地准确了解隧道衬砌在哪些部位(里程位置)存在着空洞甚至欠厚等缺陷以及缺陷的程度，找到产生这些问题的原因，然后制定整改措施以达到改进隧道衬砌质量的目的.

1 工作原理

图1 探地雷达衬砌质量检测原理图Fig.1 Ground penetrating radar lining quality testing principle diagram

探地雷达方法进行隧道衬砌质量的检测是目前国内外最常用的检测方法之一，也是较为成熟的检测方法，已被纳入公路工程质量检测规范之中.它的工作原理是由发射天线向衬砌介质发射电磁波，当电磁波在衬砌介质中遇到电性差异的界面时会发生反射、折射和散射，反射回衬砌表面的电磁波被接收天线接收并被雷达系统采集和显示，根据所接收到的电磁信号在幅度、相位和时间上的变化特点来推断衬砌中的缺陷[3].图1为探地雷达衬砌质量检测的原理图.

公式(1)中，二次衬砌介质相对介电常数为ε1，初衬介质相对介电常数为ε2，则反射系数r为：

(1)

在探地雷达剖面上可以读出缺陷位置的双程走时t，根据在明洞上测出的电磁波在混凝土中的传播速度v，根据公式v=2h/t可计算出缺陷部位的埋深.

2 实际工程应用

2.1 检测实例

2.1.1 工程简介

松阳隧道位于抚松县榆树川乡松阳村西侧约1 km，南西北东走向展布.设计为双线分离式隧道，间隔为40～80 m.其中，右线起讫桩号为K265+330～K266+305，长975 m；左线为ZK265+355～ZK266+270，长915 m，属中隧道.设计车速为80 km/h,设计年限100 ɑ，设计安全等级为一级，结构防水等级为二级.隧道左右线各三车道，隧道间设人行横道.限界高度为5.0 m，行车道宽度为11.25 m，总宽度为14 m.

图2 测线分布图Fig.2 Measuring line distribution

2.1.2 测线布置

检测的测线布置在隧道的拱顶、拱腰、边墙及仰拱4个部位，共7条测线，见图2.拱顶为隧道的正顶部附近，拱腰为距隧道路面以上5 m左右，边墙为排水盖板以上1.5 m左右,仰拱距排水沟外缘0.5 m左右.测量方式采用连续点测方式，测点间隔一般为几厘米.为了保证探地雷达时间剖面上各测点的位置与实际检测里程相对应，在检测时用测量轮跟踪测量里程，并在隧道边墙上每隔5 m做一个里程标记，以校正剖面上的里程号.检测时，天线要紧贴洞壁，保持匀速运动，尽量避免天线的颠簸对时间剖面产生干扰.图2为松阳隧道衬砌检测的测线布置图.

本次测量中共布置了7条测线，分为左右仰拱测线、左右边墙测线、左右拱腰测线和拱顶测线.边墙测线和仰拱测线由人工推动天线匀速检测，采用每5 m一个标记的方式记录里程；拱腰和拱顶测线由铲车推动天线匀速检测，仍然采用每5 m一个标记的方式记录里程.

2.1.3 设备的技术参数

本次检测使用的仪器是瑞典MALA公司生产的MALA X3M型探地雷达，使用的天线为500 MHz屏蔽天线.采样长度为512 m，时间窗口为30 ns，数据分辨率为16 bit，频带宽度为200～800 MHz，天线中心频率为500 MHz.

2.2 地质雷达资料的处理

原始的雷达检测资料在未经过任何变化与滤波的情况下，是无法得出隧道的衬砌情况的，只有使用相应的地质雷达资料处理软件，方可进行资料处理.资料处理主要是对波形作处理，包括增强有效信号、抑制随机噪声、压制非异常体的杂乱回波来提高图像的信噪比和分辨率[4].图像判释主要依据地质雷达图像的正演成果和已知的地质钻探资料，分析所要探测目标可能引起的异常的大小和形态，对获得的雷达剖面进行合理的地质解释，最终得到各测线的成果图，以此对隧道的施工质量进行分析与评价.图3为处理后的数据分析图像.

图3 处理后的数据分析图像Fig.3 The image of the data analysis after processing

2.2.1 混凝土离析

当混凝土振捣不好时会出现离析现象，会降低混凝土的密实度，反映在探地雷达剖面上的是局部反射振幅不稳定、反射相位不连续的异常.

2.2.2 二衬与初衬间厚度的确定

在隧道拱顶部位，当二衬注浆不满时与初衬间会出现空隙，反映在探地雷达剖面上的是局部出现强反射波同相轴.一般情况下，初衬和二衬的分界线不是很明显，但初衬和岩石的接触面由于介质差别大，能在图像中找到.

2.2.3 不密实带的确定

不密实带是指混凝土、回填层或浆砌片石中的某块区域结构疏松，密实程度差，有蜂窝状孔隙或砂浆不饱满的小空洞存在[5].不密实带在雷达时间剖面图上呈现局部强振幅反射或绕射，图4为不密实示意图.

2.2.4 衬砌中空洞的确定

隧道顶部超挖后未进行填充，以木板搭接后喷射混凝土会在初衬与围岩间形成空洞，在探地雷达剖面上会出现双曲线形绕射异常现象，拱顶脱空图像见图5.

图4 ZK266+199～ZK266+202左仰拱不密实Fig.4 Uncompacted of left inverted arch

图5 YK265+976～YK265+979拱顶脱空Fig.5 Void of tunnel vault

3 结论

(1)隧道衬砌是隧道的主要承重结构，对隧道进行施工质量的检测十分重要，地质雷达能够轻松快速地实现对隧道衬砌的检测.

(2)利用地质雷达技术检测质量缺陷时，根据雷达时间剖面图能够较准确地确定衬砌的厚度、钢拱架与钢筋网的分布与脱空不密实的情况.

(3)地质雷达技术的检测速度快、效率高，适用于现场的大面积快速检测.

(4)地质雷达探测的精度与所取波速有关，而混凝土、钢筋以及脱空区对电磁波都有一定的离散性.另外，电磁波速也受探测环境的影响，所以目前地质雷达探测还存在一定的误差，需要进一步完善.

(5) 检测时，天线要紧贴洞壁，保持匀速运动，尽量避免天线的颠簸对时间剖面产生干扰.

参考文献：

[1] 史常清.地质雷达新技术在渝怀铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].现代隧道技术,2004(1)：298-302.

[2] 周黎明，王法刚.地质雷达法检测隧道衬砌混凝土质量无损检测中的应用研究 [J].岩土工程界，2002(3):74 -76.

[3] 蔡建辉.地质雷达在高等级公路隧道衬砌质量无损检测中的应用研究[J].公路交通技术，2002(2):87-89.

[4] 李二兵，谭跃虎，段建立.地质雷达在隧道工程检测中的应用[J].地下空间与工程学报，2006(2):267-270.

[5] 周俊峰，吴汉杰.高速公路隧道检测中的地质雷达波形分析及应用[J].西部探矿工程，2005(3):128-130.