利用地质雷达无损测量隧道衬砌质量与缺陷

盛海洋,王 超,黄继辉,徐行军

（福建船政交通职业学院,福建 福州 350007）

0 引言

公路隧洞由于各种因素在运营很久后，会不同程度地产生表面裂缝、渗漏水等病害，这类病害多是由于隧道潜在的施工技术问题所造成的，如模筑衬砌厚度不够、模筑衬砌后出现空隙或回填不严密等。而以往的施工质量检测通常采用钻孔取芯或开挖取样等破坏性方法，这对防水条件十分严密的隧洞施工十分不利。由于隧洞属于隐蔽性工程施工，所以必须用合理、快捷、无损的先进检测技术和仪器设备加以检测。目前地质雷达无损检测技术具有使用成本低、操作方便、检测精度高、易于操作等优点，已成为公路隧道质量和病害检测的首选。

该文根据福建省某公路隧道存在的病害问题开展了无损检测，对隧道的模筑衬砌结构缺陷病害进行了原因剖析，对地质雷达检测结果进行解译判识与总结分析，为国内隧道模筑衬砌质量检验工作提供了实践经验。

1 检测依据与原理及衬砌缺陷

1.1 检测依据

检验标准主要依据为公路工程施工质量检验和评定标准，第一卷为土建工程标准（JTG F80/1—2017）[1]；公路养护安全作业规程（JTG H30—2015）[2]；福建省公路隧道地质雷达检测技术规程[3]；混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204—2015）[4]等主要技术法规、标准、设计文件、检测合同，以及相关研究论文、文件材料等。

1.2 检测原理

地质雷达基本原理就是通过辐射天线向地面发出的高频电磁波，当电磁波在地面穿行时，一旦碰到两种截然不同地层分界，就会产生不一样的地球物理现象。电磁波在通过不同土壤或地面电性边界时，部分电磁波在折射效应下会不断地向另一个边界进行传播，而另一部分电磁波则会被边界反射回到地表，而反射后回到地表上的电磁波也可以被地面天线所接收，并记录在地质雷达的主机系统内。另外，电磁波的传递会经过多次反射和折射，但唯有当电磁波的能量全部被地层边界所吸引，这种电磁波在边界穿梭工作过程中发生的折射和反射现象才会彻底消失。一般来说，由于电磁波的传播路径、电场强度、波速，以及电性和折射电磁波的能力在不同地层中往往会表现出不同测量参数差异，电磁波在不同地层条件下穿越进程中，回收的电磁波频段有所不同，因此工作人员可以对发射和接收的电磁波进行比较，并运用时差原理来分析电磁波参数，这样就能精确地判断地表以下的地层情况。同时，工程技术人员可以将传送回来的电磁波参数加以处理与运算，并按照检测数值绘成图像，施工和检测人员可结合现场地层情况与有关资料，来具体确定地层内部的空间结构和构造特点，对隧道内混凝土衬砌质量做出分析评估。

1.3 衬砌缺陷

在剖面图上所显示出来的各种测线信息可以表示各种的地下施工情况。用于隧道衬砌检查一般分为以下几个检测信号：反射信息较弱且持续的为密实部位；反射信号中体现为强反射且杂乱的区域状况为欠实情况；反射信号中体现为强反射且呈长条带的三角状况则为空洞或弯沉情况；反射信号中持续且有序的双月牙形强反射状况为钢筋网，而单月牙反射状况则为钢筋拱架。

（1）脱空。脱空现象是指由模筑衬砌与围岩或初支结构之间联系不牢固时所造成的裂缝、空隙等，其造成的因素一般有隧洞施工时模筑衬砌墙后回填混凝土不严密时所形成的空隙。另外，在隧洞运营中因为衬砌老化等因素，使模筑衬砌层与初支及巷道围岩之间出现剥离而生成空洞和缝隙。

脱空现象在雷达技术图上所显示的模筑衬砌界面反射信息很强，往往呈现带状长条型或三角状划分，且三振相强烈，但往往在其下方仍有较强的反射界面信息，因此二组信号位移时程相差很大。

（2）欠实。模筑衬砌欠实是指建筑衬砌结构内混凝土回填不严密所形成的较小的裂缝、小空隙等。其形成的因素主要有隧道开挖后施工接缝不严密、有裂缝等。另外，在隧洞施工过程中因水的浸蚀、地质应力影响和水泥老化等因素作用，会引起隧洞模筑衬砌断裂、变形等。模筑衬砌欠实部位的雷达界面对反射信号呈强反射，且通常并不持续，表现出错断和杂乱等现象。

2 衬砌缺陷形成机制分析

探讨隧洞缺陷病害的形成原因以及不同缺陷在地质雷达影像上的形态特征，对于对隧洞衬砌裂纹的鉴定以及针对隧洞缺陷病害防治有一定的实践意义。

2.1 衬砌空洞

衬砌空洞广泛出现在隧道的各个部位。空洞不但会引起衬砌的混凝土裂缝、损伤，甚至还会使围岩变形增长进而造成巷道围岩的失稳。根据空洞出现情况和原因的不同，大致上可以分成下列几类。

（1）防水板和初支之间的空隙。这种空洞一般是由于隧道初期支护基面材料不均匀，又未及时用水泥补平或建筑防水板铺挂得过紧密，造成二衬混凝土不能在建筑防水板和初支边间的缝隙填充密实所产生的。此类空洞多出现于边墙及拱顶。

（2）砌筑防水顶板和模筑衬砌间的空隙。在建筑施工衬砌混凝土时，宜从二端拱脚自下而上分层均匀地开始砌筑；混凝土浇筑至拱顶处时，利用运输泵压克服混凝土的自重和运泵阻力，不断地顶升直至拱顶处灌入砂浆中。混凝土自身也具有一定程度上的“干缩”现状，受水泥流动性影响，由“干缩”所产生的空隙多聚集在拱顶部位，拱腰次之。因此在浇筑过程中多会在拱顶预留相当数量的注浆材料孔隙。

（3）混凝土内部不密实。当模具内混凝土浇筑密实不完全时，在混凝土内也会发生程度不一的不密实现象，在衬砌为钢筋混凝土时，这种缺陷更容易出现。

2.2 衬砌厚度不足

衬砌厚度缺陷也是隧洞开挖过程的另一个工程通病，主要由隧洞欠开挖和衬砌混凝土之间产生空隙而造成。模筑衬砌厚度若不够，则很容易造成衬砌表层出现裂纹，甚至导致水泥掉块，从而降低了行车安全性。重则降低衬砌受力，影响结构安全。

2.3 衬砌渗漏水

模筑衬砌的渗漏水多发生于裂隙和地下水发育区域，在隧洞开挖过程中也会出现。隧道内渗漏水不但会造成模筑衬砌结构内金属构件腐蚀，同时还会腐蚀模筑衬砌结构内混凝土，从而导致模筑衬砌结构强度下降，在严寒地方更容易产生建筑衬砌的冻胀裂损。而造成模筑衬砌内渗漏水的因素，除去围岩内部节理裂缝发育、地下水丰富等地质因素之外，施工过程中工艺、管理也是衬砌渗水的因素。衬砌渗漏水原因有：

（1）浇筑时振捣不实，在水压力影响下混凝土结构体内出现泌水现象。

（2）由于初期支护基础处理不当以致防水板被锚杆头等尖硬物刺破。

（3）防水工程模板及止水带安装不标准。（4）预埋排水体严重阻塞或循环不畅通。

当隧道内渗出水较严重时，衬砌式表面上会发生面状渗出、滴漏或成线状渗漏等，甚至于还会在薄弱拱顶部产生“水帘”渗水现象。当地层发生衬砌渗漏水时，雷达剖面上通常产生水平的强反射信号，展布区域很大，且多次波强烈。

3 检测内容与测线布置

检测前沿隧道轴线用喷漆每隔10 m标好里程桩编号，以便在雷达天线使用时及时、正确地加以标注。隧道的衬砌地质雷达检测，依据现场的实际情况，沿双向行车道纵向布置了五条检测线，即在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙处布置检测线。

依据检测内容包括油坊隧道衬砌缺陷分布情况、衬砌密实性情况等，采用500 MHz天线、1 GHz天线进行测量。

4 探地雷达参数设置

地质雷达要求目标载体与周围材料之间在介电常数要有明显的差异。地质雷达不同频率的天线，其探测深度不同，频率越低，检测深度越大，但分辨率会下降；频率越高，检测深度越浅，而分辨率会增加。故在隧道衬砌检测时，必须选用与检测深度要求有关的天线，频率范围通常为400 MHz~1 GHz之间。

根据现场检测精度与深度的要求，采用美产SURVEY地质雷达，天线选用500 MHz与1 GHz的屏蔽天线进行对比检测。主要检测参数数据有：

500 MHz天线的参数设置：采样频段：7 137 MHz，采样点数：426点，窗口时间：60 ns。触发方法：采用测量轮，距离的触发检测方法，测量精度与深度均能达到衬砌厚度要求。表1为部分天线在岩体中的理论测量深度。

表1 部分天线在岩体中的理论探测深度

天线500 MHz，材料状态与深度比例，材料状态：干燥（1.00）。深度比例：深度3.1 m、时间51 ns。

天线500 MHz，触发模式，轴编码器轴间距2.5 mm，最大距离1.13 km。

1 GHz天线采集参数设置：采集频段：10 350 MHz；采集点数：444点；窗口时间：42 ns。触发方法：采用测量轮，按距离触发。

5 雷达剖面图像及分析

5.1 500 MHz天线隧道右边墙雷达图像

500 MHz天线隧道右边墙雷达图像分析见图1。测线位置K0+704~705脱空，深度约0.3 m。测线位置K0+762~763不密实，深度约0.45 m。

图1 K0+704-705脱空

5.2 500 MHz天线隧道右拱腰雷达图像

500 MHz天线隧道右拱腰雷达图像分析见图2。图2测线位置K0+549处小孔洞，深度0.45 m（钻孔取样处）。测线位置K0+666.4~670.6断续不密实，深度0.3~0.45 m。

5.3 500 MHz天线隧道拱顶雷达图像

500 MHz天线隧道拱顶雷达图像分析见图3。图3的测线位置为K0+712~715.4，脱空时不密实，深度约0.35 m。测线位置在K0+719.4~721.4之间，不密实，深度0.35 m。

图3 K0+712-715.4脱空不密实

5.4 500 MHz天线隧道左拱腰雷达图像

500 MHz天线隧道左拱腰雷达图像分析见图4。图4测线位置K0+558~567部分脱空不密实，深度约0.45~0.6 m。

图4 K0+558-567部分脱空不密实

5.5 500 MHz天线隧道左边墙雷达图像

500 MHz天线隧道左边墙雷达图像分析见图5。图5 K0+648.4~649.2 不密实，深度0.4 m。测线位置K0+760.6~761.8 m，不密实，深度0.5 m。测线位置K0+782.5~783.5 m，不密实，深度0.5 m，附近K0+791钻孔取样处，边墙有较多气孔。测线位置K0+791.3 小空洞，深度0.3 m。

图2 K0+549小孔洞

图5 K0+648.4-649.2不密实

5.6 检测结果分析

运用地质雷达对油坊岭隧道衬砌结构和模筑衬砌的背后缺陷进行检测和图像解译，发现部分地段隧道衬砌混凝土结构背后出现不密实、脱空、空洞等缺陷，与后期采用现场钻孔取芯验证一致，并达到了地质雷达检测技术规程标准和精度要求。

6 结语

（1）地质雷达科技成为一门无损的测量技术手段，具有成本低、操作方便、检测精度高、对数据收集和处理集科学于一身、对目标体和异常图像清晰可见且容易辨认等优点，广泛应用于公路隧道检测中。就隧洞测量过程来说，大多数技术人员都会首选地质雷达检测技术，利用地质雷达无损检测设备，不但可以增强隧道施工测量的精确度和一致性，同时可以大大提高测量的速度。

（2）当作为在隧道测量工程技术中使用最为普遍的地质雷达技术，运用于隧道的施工质量监测中时，能在维持隧道结构不变的前提下完成检测工作。该文主要从地质雷达基本原理出发，系统说明了在隧洞施工质量检测中地质雷达检测技术的运用，对隧道衬砌病害缺陷的判识有一定的指导和帮助。

（3）运用地质雷达探测仪对福建某公路隧道衬砌质量无损检测、数据分析和图像解译，取得了良好的检测解译效果。除部分地段的隧道表层出现裂纹外，通过检测发现部分地段隧道衬砌背后出现了浇注混凝土不密实、脱空、空洞等缺陷，通过现场钻孔取芯验证和对比，其无损检测符合地质雷达检测技术规程的标准和精度要求。