張 馳

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

地質雷達法是目前檢測隧道襯砌質量的主流方法，在檢測鋼筋及拱架間距，素混凝土結構等方面有著快速、準確、直觀的特點[1-3]。但襯砌為鋼筋混凝土結構時，由于電磁波的趨膚效應[4]，其檢測效果并不理想，誤判導致的“破檢”(破除襯砌的檢測)會給襯砌帶來不必要的破壞，造成大量的人力物力浪費，而漏判更是給工程質量埋下巨大的隱患。國內許多學者對此展開了相關研究，張智研究了隧道現場干擾對地質雷達檢測的影響[5]；楊忠等認為地質雷達在檢測襯砌內第二層鋼筋時效果不佳[6]。從已有的研究看，多為對素混凝土結構襯砌的研究，而對鋼筋混凝土襯砌背后脫空檢測的研究較少。因此，一方面需要研究影響其脫空判定準確率的因素，總結典型脫空雷達圖像，另一方面需要對地質雷達檢測鋼筋混凝土襯砌背后脫空的效果進行客觀評價。

1 地質雷達工作原理

地質雷達技術(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)利用主頻為106Hz～109Hz 的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發(fā)射器發(fā)送至地下，經地下目標體或地層界面反射后返回地面，被雷達接收器所接收，通過對所接收的雷達信號進行處理和圖像解譯，達到探測地下目標體的目的[7]。

在隧道襯砌質量檢測中，地質雷達向襯砌內部連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當電磁波遇到有電性差異的界面或目標體時會發(fā)生反射和透射(透射電磁波在下一界面上時會再發(fā)生反射與透射，直到能量耗盡)。地質雷達接收天線接收從相關界面或目標體上反射回來的反射波，并經電纜傳遞給主機并存儲。根據反射波的到達時間和電磁波在該介質中的傳播速率，可以確定界面或目標體的位置；根據反射波的形態(tài)、強弱變化等，可以判定目標體的性質及結構。

采用地質雷達檢測隧道襯砌質量時，襯砌混凝土、空氣、鋼筋等介電常數差異較大，電磁波遇到不同波阻抗界面時會發(fā)生反射和折射，在雷達圖像上顯示為相應的特征。根據雷達圖像特征可以判斷脫空、鋼筋等的位置信息[8]，如圖1所示。

圖1 地質雷達檢測原理示意

2 地質雷達法襯砌檢測研究

本次研究主要集中在寶蘭客專定西至蘭州段，線路正線長93.23 km，有隧道24座，隧道正線累計長69.07 km，占線路總長的74%。該段線路多處于黃土高原溝壑、梁峁區(qū)，隧道洞身通過的地層主要為第四系全新統沖積砂質黃土、細圓礫土；上更新統風積砂質黃土，沖積砂質黃土、細圓礫土；中、下更新統黏質黃土；上第三系上更新統泥巖。襯砌類型為Ⅳ-Ⅴ型，即管段所有隧道均為鋼筋混凝土襯砌。采用美國勞雷公司的sir20、sir3000地質雷達，400 MHz、900 MHz天線。根據長達一年的現場檢測及大量的“破檢”驗證，結合隧道施工工藝，對鋼筋混凝土結構襯砌質量檢測進行研究，對典型誤判的地質雷達圖像進行分析，并根據敲擊等方法查找漏判，進而對地質雷達檢測鋼筋混凝土結構襯砌質量的不足進行總結，并提出一些改進建議。

2.1 襯砌鋼筋保護層薄造成的誤判

圖2 鋼筋保護層薄時的雷達反射示意

在隧道襯砌施工時，鋼筋保護層墊塊位移過大或者振搗棒撞擊鋼筋等施工不當情況，都會導致鋼筋發(fā)生位移，從而造成鋼筋保護層厚度不足。鋼筋保護層過薄時，由于鋼筋近乎裸露，電磁波在天線和鋼筋之間會發(fā)生多次反射，在地質雷達圖像上會產生疑似脫空的圖像。如圖2所示，在深度45 cm處開始有疑似脫空的多次反射。經過打孔注漿驗證，未發(fā)現有襯砌脫空現象(但襯砌保護層厚度嚴重不足)，疑似脫空的強反射信號為鋼筋保護層過薄導致的天線與鋼筋的強反射多次波。其特征為：強反射多次波信號的同相軸和反射特征與鋼筋反射信號相似。

2.2 增益調節(jié)不當造成的疑似脫空信號

電磁波在襯砌中傳播時，會隨著深度增加而衰減。因此，在數據采集時，需對其進行增益處理。若增益調節(jié)不當，可能造成疑似脫空的信號，影響其判識的準確性。圖3、圖4為同一里程段通過不同的增益調節(jié)得到的兩幅雷達圖像，而實際上該處并無襯砌脫空現象。

圖3 同一里程段合理調節(jié)增益時雷達圖像

圖4 同一里程段深部增益較大時雷達圖像

由此可見，當增益調節(jié)不當時，雷達圖像的強反射信號會顯示為疑似脫空。根據經驗，介電常數應根據現場情況隨時調節(jié)(不僅是襯砌厚度變化的時候需要調節(jié)，襯砌結構類型、襯砌混凝土齡期長短、襯砌混凝土強度、襯砌表面潮濕或者干燥等都會影響介電常數的選擇)。另一方面，應采取先自動增益，后手動調節(jié)增益的方法(增益點數為5個，將增益包絡線調為類拋物線形式)，并視現場情況放大不同深度的信號[9-10]。

2.3 脫空典型雷達圖像分析

圖5為一典型的襯砌背后脫空雷達圖像，可以看出，其鋼筋保護層厚度滿足設計要求，在襯砌深度50 cm處出現強反射低頻多次波，且反射波同相軸不同于鋼筋反射信號，根據強反射位置和反射波幅值，判定其在二襯和初支之間有較大脫空現象。對其進行打孔注漿，揭示該處襯砌背后有較大的脫空(注漿量為12 t)。這種脫空通常是由于隧道開挖時光面爆破效果不好，造成局部超挖，初支噴射混凝土平整度達不到規(guī)范要求，防水板過松或者過緊形成的[11-12]。

圖5 襯砌背后脫空典型雷達圖像(一)

如圖6所示，電磁波在深度15～20 cm處有強反射多次波，并且反射波雜亂，從設計資料上看，該處位于兩板二襯接頭處(設計二襯厚50 cm)，初步判定其為漏漿形成的脫空。對其進行打孔注漿，揭示該處存在較大的楔形脫空(注漿量為13 t)。這種脫空通常是由于端頭模板封堵不密實，接縫處漏漿、跑漿，使拱部混凝土下落，導致襯砌厚度不足形成的[13-14]。

圖6 襯砌背后脫空典型雷達圖像(二)

2.4 襯砌背后淺部脫空檢測漏判

圖7為某隧道的一段地質雷達檢測圖像。

圖7 某隧道地質雷達檢測圖像

該里程段地質雷達圖像沒有脫空的強反射，且顯示環(huán)向鋼筋分布極為密集。但是在敲擊檢查時，發(fā)現襯砌拱部存在空洞。圖8為現場破檢后的照片，由圖7、圖8可知，該脫空處襯砌內部兩層鋼筋排列不規(guī)范，出現了沿隧道走向的環(huán)向鋼筋錯位，且兩層鋼筋存在擠壓現象，由此導致掃描檢測時，雷達圖像上表現為環(huán)向鋼筋極為密集，且電磁波信號很難通過各環(huán)向鋼筋間隔傳至襯砌背后，達不到檢測襯砌質量的目的。

圖8 某隧道拱部空洞現場照片

由此可見，地質雷達在檢測鋼筋混凝土襯砌背后脫空時有一定的局限性，不應該將地質雷達作為檢測襯砌質量缺陷的唯一方法，應引入多種檢測方法，以防止對缺陷的漏判。①引入初期支護質量檢測，即在二次襯砌未澆筑前對初期支護進行檢測，可視現場情況進行敲擊檢查或者雷達檢測，這樣可以解決拱架數量和防水板后脫空的檢測問題。②彈性波受多層鋼筋屏蔽影響較小，應深入研究彈性波法在隧道襯砌質量檢測中的應用[15]。③在隧道施工階段引入敲擊檢查，通過大量的現場驗證，敲擊檢查對于隧道襯砌淺部脫空檢測效果良好，是對地質雷達檢測的有益補充。

2.5 襯砌拱架檢測

鋼筋混凝土結構襯砌背后拱架也是一個檢測難點，圖9為典型的地質雷達檢測鋼筋混凝土結構襯砌雷達圖像，其拱架信號清晰，間距滿足設計要求。但根據現場檢測結果顯示，大多數鋼筋混凝土結構襯砌背后的拱架信號很難檢測出來。分析其原因，只有當兩層鋼筋排列合理、環(huán)向鋼筋未出現隧道走向方向錯位、鋼筋間距足夠大時，電磁波才能穿過隧道環(huán)向鋼筋間隔處，達到檢測襯砌拱架的目的。

圖9 鋼筋混凝土結構襯砌拱架檢測雷達圖像

3 結論及建議

(1)鋼筋保護層厚度過薄時，天線與鋼筋間會發(fā)生強多次波反射，增益調節(jié)不當時也會有強反射多次波，這些都容易造成對脫空的誤判。

(2)地質雷達檢測鋼筋混凝土結構襯砌脫空時，一方面要結合地質雷達原理和襯砌脫空形成機理，分析典型雷達圖像特征，并不斷總結各類誤判的雷達圖像特征及原因，才能有效地提高檢測準確率；另一方面，可增加拱部縱向測線數量，必要時加入環(huán)向測線，通過加大測線密度來減少漏判和誤判。

(3)當襯砌為鋼筋混凝土結構時，只有當兩層鋼筋排列合理、環(huán)向鋼筋未出現隧道走向方向錯位、鋼筋間距足夠大才能準確地檢測出襯砌的缺陷情況。

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