南杖子隧道衬砌裂缝检测分析

董泽 许怀玉 李进斌

摘 要：针对京沈客专南杖子隧道衬砌进行检测。检测采用LTD-2100探地雷达，测量出衬砌裂缝深度。通过对雷达数据处理与雷达图像分析，得出衬砌裂缝产生的原因，为类似工程检测提供参考。

关键词：衬砌裂缝检测；衬砌裂缝原因分析

近年来，我国进行了大量的基础设施建设，在桥隧工程取得突出成果。但在已建成的隧道中，经常会出现隧道衬砌背后空洞、衬砌开裂等工程病害问题。产生病害的主要原因是在隧道建设过程中的因素，这就会直接影响到隧道的正常运行，造成安全隐患。在京沈客专辽宁段内南杖子隧道衬砌检测中，我们采用探地雷达进行检测，通过对雷达信号收集处理、相关资料分析和专业处理软件模拟分析，从而确认隧道施工质量和运营过程中的安全性。

1 工程概况

南杖子隧道地貌属于低山丘陵区，隧址区内山体多见基岩出露，植被茂盛，为山林。隧道所经山脉海拔最高高程为384.03m，最高点里程为DK396+791.60，隧道最大埋深103.7m。隧道全长2025m，隧道内采用复合衬砌结构形式。南杖子隧道围岩多是风化岩石，加之隧道本身施工难度大，隧道衬砌极易出现裂缝。

2 检测过程

现场采用LTD-2100探地雷达，配置900M天线对南杖子隧道的衬砌质量进行了检测。在使用雷达检测时，要注意将发射和接收天线与隧道衬砌表面紧密贴在一起，并保持水平地沿衬砌表面滑行，在向前滑动过程中，由雷达主机高速发射雷达脉冲信号，进行检测衬砌。同时，进行连续快速收集信号。现场测试的详细如下：

2.1 天线型号选择

针对隧道衬砌检测的具体情况，分别从雷达信号接收分辨率、雷达信号穿透力和输出信号稳定性这三个方面进行综合考量。因此，我们选择了900MHz天线。通过信号可以发现出衬砌之间存在的病害，进而确定墙体内钢筋分布情况，估计出二衬厚度。

2.2 记录参数的确定

根据现场实际情况选定出雷达天线后，进行记录参数选取试验。再根据现场调试分析得出结果，确定主要参数如下：

（1）检测速度保持在5km/h；

（2）每道包括512个时间采样点；

（3）900m天线的时窗为25ns；

（4）采用测距轮检测方式，每隔1m打一个标记，每10米大双标。

现场采集的雷达扫描图像，通过计算机图像处理后，绘生成成彩色探地雷达剖面图。经过观察雷达图像，发现出衬砌异常部位，并对可疑部位进行反复测量和加密测量，可能遇到随机情况影响探测效果的，需在现场进行复测，并保留全部数据为有效记录。

3 雷达测试数据处理和雷达图像解释

3.1 数据处理

数据处理的是通过提高雷达信号信噪比，从而将异常信号突出化的过程。首先将现场采集的探地雷达数据传输至计算机中，其次使用配套的探地雷达处理软件进行处理数据。在软件处理之前，需要进行数据预处理。经过预处理后，还要进行一系列的数字化处理，其作用主要是通过有效的压制干扰信号的能量，从而提高雷达信号的信噪比，使得雷达信号更易于识别地质情况，准确的反映检测的地质现象，从而提供更准确的解释结果。

3.2 雷达图像分析

探地雷达图像的分析主要包括定性分析和定量分析两种。定性分析主要针对衬砌背后脱空规模大小和产状的判定，由于界面两侧的不同介质存在一定的电性差异，尤其是当有空洞存在时，在该界面位置会出显示较强反射，电磁波能量会显著增强，从而会形成强反射界面，但当混凝土内有钢筋时，该界面会变得不清晰。定量分析主要是在对衬砌层厚度的判定上，衬砌层厚度的主要是依据界面的追踪及电磁波的速度进行判定，混凝土与围岩界面主要按照图像相位及振幅进行追踪。雷达图像主要根据图像电磁波波形，振幅大小及电磁波同相连续性的好坏来判断衬砌层与围岩的接触情况。

4 隧道衬砌裂缝分析

4.1 隧道衬砌产生裂缝的原因

隧道衬砌产生裂缝的地段多位于隧道洞口、沟底部。这些地方的岩体松散、裂隙发育、竖向受压力大，地层的偏心压力和隧道建成后围岩的扰动等是产生衬砌裂缝的原因；衬砌裂缝的产生与施工技术也有很大关系，包括隧道掘进方式、材料选用、衬砌混凝土搅拌情况、混凝土水灰比的确定、结构拆模、拱背回填和混凝土养护情况等。因以上原因可直接导致混凝土达不到设计强度，产生不同类型裂缝。外界因素的影响对裂缝产生也有很大影响，混凝土本身的热胀冷缩也是产生裂缝的重要原因，通常在北方温差较大的地区，十分常见产生这种裂缝。

4.2 检测结果分析

经探地雷达检测，发现南杖子隧道多条有裂痕标段，通过对雷达扫描图像分析与数据处理，得出各裂痕标段衬砌裂缝位置、深度、长度。结合现场资料与LTD探地雷达图谱，通过分析发现此次产生裂缝的原因主要有以下两点：

（1）隧道围岩条件较为破碎。例如，隧道进出口里程DK395+765-DK397+790，全长2025m，最大埋深103.7m。其中Ⅴ级围岩325米，Ⅳ级围岩610米，Ⅲ级围岩1090米。DK396+420-DK396+645该段设计为页岩弱风化，泥质结构，薄、中厚层状构造，矿物成分主要为粘土矿物。节理裂隙较发育，岩体较破碎，呈碎块结构，衬砌类型为IVa-1型。

（2）偏心受压使衬砌受力不均产生裂缝。隧道衬砌产生裂缝的另一个主要原因是隧道偏心受压，产生偏心受压的原因很复杂，可能由于特殊的地质和地形条件、隧道结构不对衬、衬砌回填不密实等因素引起。偏压会给隧道带来的不利影响，在山区隧道中非常普遍，且对隧道具有很大危害性。因偏心受压而产生裂缝现象主要在隧道洞口路段段和地质突变段出现。DK395+765～DK397+000范围内为单斜构造，为侏罗系上统九佛堂组，主要岩性为粉砂岩、页岩、岩层产状29°∠16°，节理裂隙较发育。使得受压不对称，极易产生裂缝。

5 结语

本次南杖子隧道检测的探地雷达野外采集数据经专业处理软件进行一系列处理、分析后，得出南杖子隧道衬砌裂缝产生原因。本文结合工程实例，通过对南杖子隧道衬砌的检测以及对隧道衬砌裂缝的分析研究，为类似工程檢测提供参考。

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