地质雷达在隧道二次衬砌质量检测中的应用

饶 健，李 剑，洪俊勇

（浙江交工交通科技发展有限公司，浙江 杭州 311100）

我国客运交通行业的迅速发展，公路、铁路隧道建设数量增多，但隧道二次衬砌质量问题也随之而来。为实现对二衬质量的全方位探查与检测，预防、控制质量缺陷，规避病害对隧道使用安全的威胁，需采取可靠的技术手段，着手于二衬质量的检测工作。而地质雷达检测技术表现出无损、快速、连续检测的优势，并将探测结果以实时成像的方式进行显示，增强检测数据的直观性，现如今，被广泛应用于隧道二衬质量检测工程中。

1 地质雷达检测原理

地质雷达检测技术具备连续、高效、非接触检测优势，通过释放电磁波实现对二衬整体情况数据信息的采集，并以图像的形式加以反馈，图像分辨率高，为作业人员二衬内部整体状态的把控提供可视化数据支持。电磁波传播过程中，会受介质几何形态与电性质的影响，使波形、传播路径、地磁场强度发生改变。这就需要技术人员采集、汇总、分析接收到的各类检测信息，包括波形、幅度、发送与回传时间等，以此为依据，对二次衬砌中介质的分布情况进行推断。

地质雷达构成主要有两部分，即电磁波接收与发射。其中，发射模块的组成包括向外辐射电磁波天线与能够产生高频冲波的发射机，按照60°～90°波束角将天线电磁波发射至二次衬砌中，当电磁波传播期间存在电性分界面，会发生反射。

由于地质雷达规格不同，使得电磁波传播速度与波长也不同，但同一种探测雷达的收发距一致且无法改变。如果探测过程中，始终在相同介质中传播，电磁波的波速也不会发生变化。对此，实际检测时，只需准确记录电磁波发射与接收间隔时长，便可推算出二衬深度。同时，当接收与发射天线在物体表面逐点同步移动时，能够将二衬内部介质剖面图直观地呈现于地质雷达显示屏上。

2 隧道二衬质量检测中地质雷达的实际运用

2.1 工程概况

某高速公路隧道工程某隧道右幅起始里程为YK5+210，终止里程为YK6+872，隧道右幅长度约为1 662 m，为单向三车道隧道。隧道设计行车速度为100 km/h，隧道断面扁平，隧道净宽14.75 m、净高5.0 m。隧道衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式。初期支护以锚杆、钢筋网、喷射混凝土及钢拱架组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防水排水夹层。

2.2 现场检测

在对二衬质量进行检测时，使用的地质雷达型号为劳雷SIR-30e，搭配屏蔽天线，设备操作时，天线要紧贴衬砌表面，并顺着测线移动，在此期间，严禁出现停顿。

深入调查工程实际情况，依据二衬质量要求，从多维度包括稳定性、穿透深度、分辨率，对选用天线的型号进行考虑，最终决定配置900 MHz屏蔽天线。此外，经整合前期工程探测结果，了解目标物规格后，再依据探测深度，将时窗深度设置为20 ns，同时，将采样点数设置为512个，采用时间测量方法进行检测作业。完成准备工作后，需立即执行测线布置工作，参照测试要求，以隧道纵向为基准，连续性布置5条雷达测线，布设位置为左右边墙、左右拱腰、拱顶。

现场检测具体流程如下：首先，作业执行前，需按照每10 m的标准沿隧道边墙做标记，同时，还应以50 m为基准布设清晰标识，组织施工人员全方位清扫隧道，并正确安置工作台架，如衬砌台车等，准备工作的有序落实可增强点位布置准确性。其次，波速标定。介质的介电常数会影响电磁波传播速度，对此，需保证介电常数选择的合理性，确保目标体深度测量结果准确性。二衬检测期间，波速标定的位置为隧道大里程洞口电缆槽厚度可测区域，最终得到的介电常数为7.87，波速数据为10.69 cm/ns。最后，检测过程中，工作人员需严格按照规范操控设备，并做好记录，包括标记间隔、里程桩号、测线位置等。为保证检测作业秩序进行，还需加强现场协调，合理、明确分工，如车辆调度等辅助性工作以及天线数据采集关键性作业。

2.3 检测数据分析

2.3.1 分析流程

汇总由地质雷达检测到的各项数据，安排技术人员预处理数据文件，通过运行配套软件Radan7，实现对数据的解释与翻译。数据处理时，应先明确时间零点，为保证数据直观，还需去除多余背景图像，紧接着执行带通滤波作业，偏移归位后开展2D交互式解释工作。

传播介质的变化，会导致电磁波非正常反射，同时，也会明显改变电磁波频谱特征、振幅等数据。各类变化的存在将直观地呈现于电磁波连续测线构成的灰度图中。细致、全面分析检测数据，该工程二衬质量问题部位共有397处，其中，脱空146处、厚度不足173处、密度度差78处。

2.3.2 质量缺陷

结合检测到的各类质量性问题，对各缺陷进行判释，要点如下：①空洞与脱空。地质雷达图像显示检测到的空洞为孤立体信号，衬砌界面反射信号强，三振相明显，且在衬砌的下方存在强反射界面信号，两组信号有较大时差。而地质雷达检测出的脱空问题为多次反射，电磁波同相轴呈弧形，相位与相邻道未搭接在一起，振幅增强现象显著。②密实度差。地质雷达图像显示，二衬凌乱，且非连续性、强反射能量团块状异常，反馈回的电磁波波形也呈现出杂乱特征，同相轴错断。③厚度不足。在判断二衬厚度是否满足行业标准时，主要依据二衬和初支喷射混凝土交界面进行确定。通常来说，二衬混凝土与喷射混凝土在电性参数方面的差值较小，若不能保证二者接触良好，很难获得明显反射波，或只可观察到微弱反射波。对此，判断交界面时，所选用的参照物应为喷射混凝土中格栅钢拱架、初支钢架上表面或二衬混凝土第二列钢筋网下表面。在此期间，若同时存在二衬混凝土脱空问题，也可以将空气层上表面作为参照物进行判断。

3 二次衬砌质量问题产生原因及整治

3.1 二次衬砌脱空问题

3.1.1 脱空原因

二衬脱空现象产生原因主要表现在三方面：其一，初支喷射混凝土施工质量未达标。由于初支光爆效果较差，且开挖面不具备良好平整性，提高超挖问题发生概率，且在混凝土喷射过程中，常出现超挖使用回填材料不当、喷射厚度不足等问题，无法保证围岩表面坑洞的完全填充。此外格栅拱架、初支钢架与后方接触物未密实回填，导致初期支护与二衬密贴程度不足，从而引发脱空问题。其二，防水板铺设质量差。若不能有效保证初期支护表面平整性，极有可能使防水板过紧铺挂，降低其与初支面的密贴程度。当开展二衬混凝土浇筑作业时，受到防水板阻隔无法将混凝土填充至初支表面坑洞内，形成二衬背后脱空。其三，未严格按照规范控制二衬混凝土浇筑工艺。若混凝土配比不科学或搅拌不充分，会增大混凝土收缩风险；衬砌台车刚度不够、支撑不牢、脱模作业过早执行等，会引发二衬混凝土明显下沉；混凝土不具备良好流动性、泵送角度不合理、泵送混凝土压力不足等注浆工艺质量问题的存在，极易造成二衬脱空现象。

3.1.2 整治措施

制定二次衬砌背后脱空整治措施时，工作人员应结合地质雷达接收到的检测结果对二衬内部实际情况进行判断。着重关注两项内容：脱空问题具体位置。通常有两种情况即位于初支与防水板之间、位于二衬与防水板之间。此外，考虑二衬厚度问题。若脱空同时伴随衬砌厚度未达到设计厚度的50%，则应将其划入到二衬厚度不足问题中进行处理，并按照相应的处理原则与方案执行，确保施工质量。脱空整治要点如下：

其一，利用地质雷达对脱空实际情况进行探测，还需搭配探测仪器对脱空区域面积进行物探与钻孔验证，将钻孔验证数据作为依据，结合电磁波反馈回的图像，确定脱空具体位置。

其二，衬砌钻孔、安装孔口管。了解到脱空位置以及面积后，需在第一时间组织专业人员对相应部位进行钻孔，注浆孔直径为5 cm，交错排列，孔道设计间距为1 m。结合孔洞布设情况，对钻孔作业是否损坏防水板进行判断，同时，还需安装直径为3 cm的带丝扣孔口管，并使用植筋胶将其固定于注浆孔管内，以保证注浆作业有序进行。

其三，注浆。施工前，需组织吸水试验，以此明确注浆参数。在配制浆液时，混合M30微膨胀水泥砂浆，其中灰泥比为1∶1～1∶2.5、水灰比为0.6∶1～1∶1。注浆时，沿着隧道纵向进行，并遵循“由下坡至上坡”浇筑原则，通过逐渐加压的方法，将最大压力值调整至0.2 MPa，灌注速度应维持在30L/min左右。在此期间，若孔洞体积小于1.5 m3，则应灌注水泥砂浆，如果体积大于这一参数值，则应浇筑C25细石砼。

其四，注浆孔处理。完成注浆作业后，应先凿10 cm×10 cm×8 cm楔形孔，还需做好孔洞以及孔口的清洗工作，再使用膨胀水泥砂浆封堵注浆孔，对封口处进行仔细检查，确保封堵压密性。同时，为保证封堵位置长时间保持良好状态，需混合适量胶凝材料，如膨胀剂、水泥等，用量不少于350 kg/m3，而膨胀剂混合量应大于10%。

3.2 二次衬砌厚度不足

3.2.1 厚度不足原因

导致二衬厚度不足的原因通常有五点：①未深度剖析隧道内部整体情况，便组织作业人员执行测量放线工作，缺乏科学性，最终影响放线精确度。若以这一标准为依据开展爆破工作，则无法达到理想中爆破效果，甚至会破坏隧道二次衬砌。而塌落的围岩将阻碍二衬质量检测工作的执行；②未预留足够的变形量，或围岩变形量过大；③初支喷射混凝土部分区域的喷射厚度远超出设计厚度，而在组织二衬施工活动前，没有对混凝土过厚部位进行处理，影响该位置的二衬施工效果，导致厚度不足；④如果二衬背部存在脱空问题，会提高二衬厚度不足概率；⑤安排作业人员处理塌方问题时，没有针对性地处理一些突出岩石，同时也忽视对初支拱架的处理，引发二衬厚度不足问题。

3.2.2 厚度不足整治

针对二衬厚度不足问题设计整治方案时，要求工作人员能够准确区分厚度不足成因，通过对上述问题产生原因进行分析，可将其归类为两种，分别为由脱空问题造成的厚度不足、围岩开挖不科学或不到位导致二衬厚度不足。对此，在制定整治措施时，应站在两个角度加以考量，并严格遵循五项基本原则：

其一，若二衬厚度超过最初设计时厚度的90%，但衬砌表面没有裂缝或损坏现象，应坚持跟踪监测、观察处理原则。其二，二衬厚度在设计厚度80%～90%范围内，且缺陷部位布设的测线长度不大于2 m，衬砌表面完好，也可采取全方位、全过程监测手段。在此期间，若使用地质雷达检测到拱部140°区间内有3条以上的测线二衬厚度均在这一范围，则需对该部位的混凝土进行处理，先去除二衬旧混凝土，再将钢筋放置到处理部位，重新组织混凝土浇筑施工，直至该区域二衬厚度达到设计标准；但若检测到二次衬砌有缺陷，且该部位测线长度超过2 m，也应采取相同措施加以改善。其三，二衬厚度低于二衬厚度80%，在对二次衬砌表面进行检查时，有较为明显裂缝或损坏，则需按照凿除、植筋、重筑的流程处理缺陷位置混凝土。其四，若待处理二衬边缘部位与隧道环向施工缝彼此间的距离未超过1 m，需对该范围内的二衬混凝土做全部凿除处理，在此期间，应保证拱部衬砌处理宽度始终大于0.5 m。

针对素混凝土拱部140°范围内的二衬进行拆换时，对照的处理流程如下：首先，借助地质雷达检测脱空部位的钻孔情况，整合、分析检测数据，以此确定二衬厚度不足及待处理区。其次，为保证拆换工作秩序、安全进行，需做临时支撑处理，选用的支撑结构为拱墙钢架，紧接着开展该区域内拱部140°衬砌混凝土的拆除工作，并对存在的施工缝进行科学、有效处理，安排专业人员检查、验收拆除处理工程质量。最后，验收达标后，组织开展防水材料铺设工作，植入钢筋，每一项工作完成后均需进行检查与验收，为后续二衬混凝土浇筑以及回填灌浆作业顺利执行创设良好条件。

4 结束语

为保证隧道二衬质量达到行业标准，增强隧道运行安全性，就需科学应用地质雷达检测技术，为二衬施工与质量控制提供可视化数据支持。但为发挥出技术应用价值，获得预期检测效果，要求工作人员明确技术检测原理，掌握技术操作流程，依托于实际工况，开展现场检测、检测结果分析工作，以此发现二衬质量问题，并采取针对性处理措施，提高隧道工程建设水平。