吳耀宗

(四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 611130)

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)和施工的局限性，隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中二次襯砌會(huì)出現(xiàn)各種類型的病害，如襯砌開(kāi)裂、厚度不足、背后接觸狀態(tài)不良、背后空洞等[1]。這些病害劣化了襯砌的受力狀態(tài)，降低了襯砌承載能力，誘發(fā)襯砌開(kāi)裂、掉塊，嚴(yán)重影響隧道的安全運(yùn)營(yíng)[2-3]。為確保襯砌結(jié)構(gòu)安全承載，消除隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)隧道襯砌病害狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查，從而確定重點(diǎn)管理養(yǎng)護(hù)段落，制定對(duì)應(yīng)的管養(yǎng)措施。作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)(GPR)具有高效、快速、直觀等特點(diǎn)[4-6]，廣泛應(yīng)用于襯砌厚度、襯砌背后的回填密實(shí)度、襯砌內(nèi)部鋼架和鋼筋的檢測(cè)。本文以地質(zhì)雷達(dá)在某高速公路隧道病害整治中的應(yīng)用為例，探討了地質(zhì)雷達(dá)在隧道養(yǎng)護(hù)管理中的作用。

1 工程概況

某高速公路隧道長(zhǎng)637 m，主洞內(nèi)輪廓為凈寬11.06 m，拱高7.15 m的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h。隧道埋深較淺，最大埋深約122 m。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，圍巖由侏羅系上統(tǒng)蓬萊組砂巖組成，屬軟巖，巖體中風(fēng)化狀，巖體結(jié)構(gòu)以中厚層狀為主，巖體一般較完整。除隧道洞口局部為V級(jí)圍巖外，其余段落均為Ⅳ級(jí)圍巖。

在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，隧道襯砌發(fā)現(xiàn)存在混凝土剝離、襯砌環(huán)向和縱向開(kāi)裂、漏水，路面開(kāi)裂、檢修道蓋板擠裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全。為探明襯砌病害的特征及嚴(yán)重程度，制訂合理可靠的維修養(yǎng)護(hù)措施，業(yè)主組織相關(guān)單位對(duì)隧道進(jìn)行病害調(diào)查。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

2.1 檢測(cè)儀器及流程

檢測(cè)設(shè)備采用瑞典MALA公司的RAMAC X3M地質(zhì)雷達(dá)。雷達(dá)系統(tǒng)包含不同頻率的天線，合理的天線頻率直接影響測(cè)試結(jié)果的可靠性。測(cè)試前先在襯砌邊墻位置鉆孔實(shí)測(cè)襯砌厚度，然后采用地質(zhì)雷達(dá)在該處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)兩者厚度對(duì)比進(jìn)行波速標(biāo)定，進(jìn)而確定采用500 m屏蔽天線。采樣頻7 500 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)400點(diǎn)，采樣間距0.02 m。

檢測(cè)方法沿隧道縱向連續(xù)測(cè)量，分別沿襯砌拱圈布置7條測(cè)線(圖1)。為確定襯砌病害沿縱向的分布位置，在隧道邊墻位置沿縱向每5 m布設(shè)一處永久性里程標(biāo)記。檢測(cè)時(shí)，利用檢測(cè)車以3～5 km/h的車速進(jìn)行檢測(cè)(圖2)。

圖1 襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)測(cè)線布置示意

圖2 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

數(shù)據(jù)處理采用Reflexw軟件對(duì)雷達(dá)波數(shù)據(jù)進(jìn)行道插值、偏移糾正、去直達(dá)波信號(hào)、增益、去水平信號(hào)、帶通濾波、滑動(dòng)平均等操作，使目標(biāo)體盡可能保證在時(shí)間深度剖面圖上的最大分辨率。

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

該隧道洞口段V級(jí)圍巖襯砌設(shè)計(jì)厚度為50 cm，洞身段Ⅳ級(jí)圍巖襯砌設(shè)計(jì)厚度為40 cm。表1為襯砌厚度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，表中缺陷率=缺陷點(diǎn)/檢測(cè)點(diǎn)，可以看出該隧道襯砌厚度普遍不足，缺陷率整體較大，特別是拱頂和左拱腰，缺陷率高達(dá)37.66 %和34.57 %。

襯砌背后接觸狀態(tài)包括接觸密實(shí)、接觸不密實(shí)(松散)和脫空三種情況。襯砌背后接觸不密實(shí)和脫空是常見(jiàn)的襯砌質(zhì)量缺陷。圖3為某典型區(qū)段拱肩地質(zhì)雷達(dá)圖，從圖3中可以清楚地看到兩種接觸病害。表2為襯砌接觸狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，可以看出隧道襯砌背后空洞有23處共48 m、襯砌背后不密實(shí)有40處共123 m，兩種病害占總測(cè)線長(zhǎng)度的3.78 %。其中，襯砌背后空洞及不密實(shí)主要集中在左拱圈及拱頂位置。

圖3 某典型區(qū)段拱肩地質(zhì)雷達(dá)

2.3 襯砌病害成因分析

由質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果可知，該隧道二次襯砌病害較為密集，襯砌病害的產(chǎn)生受多種因素影響，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)隧址區(qū)地質(zhì)條件較差。設(shè)計(jì)中隧道圍巖主要是砂巖夾泥巖，巖體較完整，而現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯結(jié)果顯示圍巖以泥巖為主，較設(shè)計(jì)資料更差，加之隧址區(qū)地下水豐富，泥巖遇水容易軟化，圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖壓力增大進(jìn)而影響二襯承載能力。

(2)施工質(zhì)量缺陷。檢測(cè)結(jié)果顯示隧道普遍存在回填不密實(shí)現(xiàn)象，且對(duì)仰拱作用重視不夠，存在一定施工質(zhì)量缺陷，在一定程度上影響隧道整體結(jié)構(gòu)承載性能，誘發(fā)襯砌、路面等結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生。另外二襯臺(tái)車模板偏位，造成二襯混凝土左右側(cè)厚度不均勻；混凝土澆筑工藝差，造成二襯混凝土拱頂處不飽滿，產(chǎn)生空洞。

表2 襯砌接觸狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 襯砌狀態(tài)評(píng)估及工程對(duì)策

在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范文獻(xiàn)[7-9]，補(bǔ)充外觀檢查(包括鉆芯)和襯砌斷面檢查數(shù)據(jù)后，對(duì)隧道襯砌進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)評(píng)級(jí)。并根據(jù)方案合理、經(jīng)濟(jì)可行；便于實(shí)施、施工快速的整治原則，指定襯砌病害整治措施。表3為隧道襯砌技術(shù)狀態(tài)評(píng)級(jí)及工程對(duì)策統(tǒng)計(jì)表，可以看出該隧道重點(diǎn)管理養(yǎng)護(hù)段落共8段，其中6段襯砌技術(shù)狀態(tài)評(píng)級(jí)為4級(jí)，2段技術(shù)評(píng)級(jí)為2級(jí)，而一般段落技術(shù)評(píng)級(jí)為2級(jí)。說(shuō)明襯砌厚度不足和背后空洞是誘發(fā)襯砌開(kāi)裂、剝落的重要因素，也是隧道養(yǎng)護(hù)管理中的主要難題。在管理中可采用地質(zhì)雷達(dá)快速摸清這些主要矛盾的情報(bào)，以便開(kāi)展針對(duì)性措施，提高養(yǎng)護(hù)效率。

表3 隧道襯砌技術(shù)狀態(tài)評(píng)級(jí)及工程對(duì)策統(tǒng)計(jì)

續(xù)表38ZK152+367～ZK152+395284類套拱+裂縫嵌補(bǔ)+泄水孔★9ZK152+395～ZK152+420252類裂縫嵌補(bǔ)+泄水孔10ZK152+420～ZK152+450304類套拱+裂縫嵌補(bǔ)+泄水孔★11ZK152+450～ZK152+505552類裂縫嵌補(bǔ)+泄水孔12ZK152+505～ZK152+515104類套拱+裂縫嵌補(bǔ)+泄水孔★13ZK152+515～ZK152+6221072類裂縫嵌補(bǔ)+泄水孔★

注：表中備注“★”處為襯砌厚度連續(xù)不足、嚴(yán)重不足段落以及襯砌背后空洞較大段落確定的重點(diǎn)管理養(yǎng)護(hù)段落。

4 結(jié)束語(yǔ)

襯砌厚度不足及背后空洞問(wèn)題是既有隧道普遍存在的主要缺陷，準(zhǔn)確快速地獲得襯砌質(zhì)量情報(bào)，對(duì)癥下藥，制訂適宜的工程對(duì)策，對(duì)于隧道運(yùn)營(yíng)管理養(yǎng)護(hù)具有重要意義。與其它檢測(cè)方法相比，地質(zhì)雷達(dá)具有快速、覆蓋面廣、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，能夠及時(shí)有效地確定隧道重點(diǎn)管理養(yǎng)護(hù)段落，開(kāi)展運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)于提高養(yǎng)護(hù)管理水平和效率具有重要作用，在隧道運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)中應(yīng)大力推廣應(yīng)用。