小议地质雷达在隧道衬砌检测中的应用

韩立军

中铁一局集团有限公司广州分公司 广东广州 510000

摘要：21世纪，随着我国基础建设的发展非常迅速，隧道工程也在蓬勃兴起，人们对隧道的地质和质量问题也逐渐重视起来。隧道衬砌质量是隧道稳定及安全运营的关键因素，而衬砌结构受力特性较为复杂，容易出现病害，因此隧道衬砌施工质量尤为重要。采用地质雷达法重点对隧道衬砌质量进行快速检测，得到衬砌内部空洞或不密实等异常部位，并对隧道衬砌厚度进行检测，对隧道衬砌混凝土施工质量进行评价。

关键词：隧道衬砌；地质雷达；质量检测；应用；施工质量

引言：

新时期下，由于社会在不断的进步发展，我国对于各类基础设施的建设力度也在逐步加大，铁路、公路等产业均得到了极为良好的发展。而在这些基础建设中，隧道工程的比重极大。运用雷达方式对隧道最终的衬砌状况进行检测能够获得较高的精度，但也不可否认存在着一定的问题，影响其最终检测效果。本文采用地质雷达快速无损检测方法对某高速隧道衬砌施工质量进行检测评定，取得了较好的效果。

1、地质雷达简要介绍

众所周知，地质雷达技术是一门新兴的检测技术，其优势特点为能够实现长时间的检测，且获得较好的检测效果。因此，雷达检测手段已广泛应用于隧道衬砌及路面的检测工作中。在对隧道衬砌进行科学检测时，还需应用到升降机。在将工作人员抬升至指定位置后，工作人员需将雷达上的天线与隧道中的衬砌面相互贴合，而其具体的检测速度是每小时3～5千米。整体的检测效率极为低下。而由于铁路的天窗时间受到一定程度上的限制，因此，上述所说的检测方法无法对现场类的检测工作需求进行充分满足。为铁路隧道进行相关检测车辆的配置，对其具体的技术状况进行科学检测成当务之急。运用专属的雷达检测车辆进行隧道检测，应着重关注两方面的问题：第一，使地质雷达上配备的天线与隧道衬砌保持适宜的距离，以此将整体的检测速率进一步提升；第二，配备多个雷达天线并完成相应的安装工作，以此实现对多条线路的检测工作。

2、地质雷达无损检测技术

传统隧道病害检测方法基于人工视觉已不能满足隧道工程发展要求，建立一种既不破坏隧道结构又能快速有效检测隧道质量的方法成为一个亟待解决的问题。目前出现了多种快速无损检测方法，主要有地质雷达法、声波法、瞬态面波、地震法等。这些方法针对对象不同，对应测试内容也有所区别。

2.1 检测方法选用原则

隧道衬砌病害检测时应遵循如下原则：

（1） 检测结果要准确可靠。选择检测方法时首先应确保其能准确地反映隧道损坏情况及程度。

（2） 检测效率高，操作方便且过程短。由于质量检测一般與施工同时进行，为尽量避免与隧道开挖、爆破等施工不相互干扰，要求检测方法必须快速。

（3） 检测费用经济。由于隧道施工是渐进式的，衬砌质量检测也要渐进进行，因此衬砌检测频率较高，这就要求每次的减仓费用要尽可能的低，以使整个施工过程的检测费用相对较少。

2.2 地质雷达检测原理

与其他几种无损检测方法相比，地质雷达法的优点主要是与地面不接触，采用不同天线和信号源可以探测不同的目标层。

其工作基本原理如下：发射机向地下发送脉冲形式高频电磁波，在地下传播过程中当电磁波遇到电性差异的目标体时，如空洞、地层分界面，便发生反射，折回地面，由天线接收并对反射波进行处理和分析，通过波形、强度等参数就可推断目标体空间位置、结构、几何形态等。地质雷达可实现快速连续无损检测，其组成主要包括发射机、天线、接收机、信号处理机和终端设备等，地质雷达探测原理如图1 所示。

图 1 GPR 工作原理示意图

3、隧道质量控制标准

3.1 建筑物地表变形控制

隧道开挖不可避免地影响地表变形，包括沉降和水平位移，当隧道通过的区域地表有建筑物时，其变形控制将严格。我国及部分欧美国家规定地下采空的建筑物地表容许变形值，如表 1 所示。

表 1 各国建筑物地表（地基） 允许变形值

3.2 围岩变形控制

3.2.1 最大位移值

《公路隧道施工技术规范》（JTJ042 -94） 规定，隧道周边允许相对位移值如表2 所示。设测试位移为S，最大位移允许值为Sa，则有：

（1）当测试位移S

（2）当测试位移Sa/3< S<2Sa/3 时，说明围岩变形已偏大，应严密监视围岩动向；

（3）当测试位移 S >2Sa/3 时，应立即停止施工，并采取超前支护、注浆等加固措施。

表 2 隧道周边允许相对位移值（m）

3.2.2 位移速率

（1）当位移速率v> 1mm/d 时，说明围岩变形变化急剧，应严密监控围岩动态；

（2）当位移速率 0.2

（3）当位移速率 v <0.2mm/d 时，说明围岩已达到基本稳定，可进行衬砌施工。

3.3 混凝土强度标准

根据《锚 杆 喷 射 混 凝 土 支 护 技 术 规 范》（GB50086- 2001），喷射混凝土强度如表3 所示。其中，喷射混凝土1d 龄期抗压强度不应低于 5MPa，钢纤维喷射混凝土设计强度等级不应低于 C20，喷射混凝土弹性模量如表 4 采用。

表 3 喷射混凝土强度设计值（MPa）

表 4 喷射混凝土弹性模量（GPa）

4、隧道衬砌施工质量检测与评价

4.1 检测内容

衬砌是隧道最易出现病害的部位，其质量状况是隧道整体施工质量最重要一环。隧道施工过程中由于混凝土振捣不实造成衬砌结构脱空、初衬松散欠密实，以及偷工减料造成的初衬混凝土厚度不足等问题，为此，工程现场采用地质雷达重点对衬砌质量进行无损快速检测。本文依托某高速公路隧道开展现场质量检测与评价。

4.2 测试方案

（1） 检测以沿隧道轴线平行的纵向布线为主，横向布线为辅。纵向布线分别位于隧道拱顶、左右边墙和隧道底；横向布线根据检测要求布设，直线段横向 8～12m 布设一条，曲线段 4～6m 布设一条，点测时每断面不低于 6 个点，特殊地段进行加密检测。

（2） 竣工驗收质量检测与施工过程布线方式类似，以纵线为主，横线为辅。纵向横向布线的位置与第一条相同。

4.3 结果分析与评价

4.3.1 初衬质量检测

在隧道初衬完成后，二衬开始之前，对隧道的初衬质量进行地质雷达快速检测，根据隧道设计及施工具体情况，布设了纵向测线 8 条，分别布设于左右洞室的拱顶（2条）、拱腰（4条）、侧墙（2条）；横向测线 10 条，具体布置位置详见表 5。

表 5 部分施工测线明细表

于 2010 年 4 月 18 日进入现场开展检测工作，左洞左拱腰处的地质雷达测试结果图像如图2 所示，图中显示，在K21 +202～ K21+205.3 桩号范围内的左洞左拱腰处衬砌界面反射信号较强，三振相十分明显，分析认为初衬支护后有长约 3.3m，厚度（隧道径向）为 0.23m 的异常区域，初步认定为空洞区域。若反射信号同相轴成射弧状，不连续较分散，则说明初衬墙后有不密实异常。

K101 + 220～ 223.3 范围内右洞右拱腰处衬砌界面反射信号较强，三振相十分的明显，说明初衬墙后有长约3.3m 异常空洞。若反射信号同相轴成射弧状，不连续较分散，则说明初衬墙后有不密实异常。

图 2 右洞右拱腰异常剖面

整个布设测线检测结果中共发现8 处明显异常，初步认为这些区域为空洞或不密实，现场对异常点取芯进行验证，综合分析后，得到具体检测结果如表6所示，应对这些病害区域采取二次注浆进行加固。

表 6 异常解释成果表

由表6 检测结果可知，隧道左洞仅拱顶出现两处长度小于4m，厚度小于 15cm 的不密实区，初衬施工质量较为良好，右洞右侧拱腰出现4 处的异常

区，1 处为空洞，其余 3 处为不密实区，右洞左侧拱腰出现2 处异常区。1 处为空洞，1 处为不密实区。右洞初衬出现的病害较多，应对检测出的各病害区

进行相应处理。

4.3.2 混凝土厚度评定

对衬砌混凝土厚度的质量评定应符合下列规定：

（1）检测喷射混凝土平均厚度≥设计厚度；

（2）检查点中 60%≥设计厚度；

（3）检测喷射混凝土最小厚度≥设计厚度/2。

初衬混凝土厚度检测结果如表 7 所示。左右洞分别布设了3 条测线，分别为侧墙、拱顶和拱腰，由表中数据可知，左右洞3条测线均符合质量要求，但

拱腰和侧墙初衬厚度的施工质量相对较差，小于等于设计厚度占有率分别达32.7%和28.9%（右洞）、30.3% 和 31.1%（左洞）。拱顶的初衬厚度质量最好，小于等于设计厚度占有率为 3.7%（右洞）、5.4%（左洞）。

表 7 某隧道衬砌厚度检测不合格结果

5、结束语

综上所述，运用地质雷达进行铁路隧道衬砌具体状况的科学检测，虽然具有精度高、无损性较强的优势，但相应的代价便是巨大的工作量及较高的检测难度。对地质雷达检测工作进行一系列科学措施的制定，分析研究其相关问题，能够进一步提升整体的检测效果及相应的施工质量，并随着实践经验的积累和技术水平的提高，我们有理由相信地质雷达探测技术在未来将更加成熟，并势必在隧道超前预报中发挥出更加重要的作用。

参考文献：

[1]邱海涛，谭卓英，赵永贵，于宏东.雷达无损检测技术在南昆铁路隧道检测中的应用[J].广西地质，2010（4）.

[2]董鑫，胡文广，刘宝许，张伟.小型挖掘机在公路隧道大直径竖井施工中的应用[J].筑路机械与施工机械化，2008（6） .

[3]孙凯，肖正福.地质雷达在隧道衬砌厚度检测中的准确度分析[J].路基工程，2013（03）.

[4]费奎，郝海龙.地质雷达在衬砌检测中的误差分析[J].交通建设与管理，2011（02）.