楊艷青 賀少輝 齊法琳 江波
(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司軌道交通院,北京100037;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京100044;3.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,北京100081)
在軟弱圍巖隧道中仰拱、填充層的完整性對隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要作用。如果仰拱、填充層存在設(shè)計不當(dāng)、施工質(zhì)量較差、強度不足等問題,那么在列車長期往復(fù)荷載作用下仰拱和填充層極易破損,會出現(xiàn)落底、排水溝翻漿冒泥、隧底隆起等病害[1-3]。隨著使用時間的延長、運營速度的提高以及運量的增長,病害程度會日益惡化,嚴重影響列車運行速度和行車安全。因此,對運營隧道進行定期檢測,檢定隧底破損范圍,及早采取整治措施,遏制病害發(fā)展非常必要。目前,地質(zhì)雷達無損檢測技術(shù)在既有鐵路隧道狀態(tài)檢測方面應(yīng)用廣泛[4-7],但是由于隧道仰拱或填充層位于道砟下一定深度,破損的仰拱或填充層與道砟層、圍巖的分界凹凸不平,使得地質(zhì)雷達檢測結(jié)果復(fù)雜多變,難以判定。
本文以我國鐵路隧道中較為常見的混凝土整體襯砌隧底結(jié)構(gòu)為研究對象,按完整、破損2種工況制作隧底模型,進行地質(zhì)雷達檢測模擬試驗,對不同工況下地質(zhì)雷達圖進行定性、定量分析,為實際工程檢測提供參考。
以單線鐵路隧道混凝土整體襯砌軌面以下深2.0 m,寬5.5 m的橫截面為原型,制作長4.5 m的1∶1隧底模型[8]。模型中一半為完整結(jié)構(gòu),另一半以隧道中線為分界分別模擬僅填充層破損、仰拱和填充層均破損2種工況。然后,平行于隧道中線在軌道外側(cè)設(shè)置測線進行地質(zhì)雷達檢測。將地質(zhì)雷達圖的介質(zhì)層分層情況與模型實際情況進行對比分析,確定隧底不同介質(zhì)層的界面位置,解釋其特征,并定量分析各介質(zhì)層的厚度及其檢測精度。
圖1 隧底模型設(shè)計圖(單位:m)
設(shè)計平面尺寸5.5 m×4.5 m,深2 m的圍巖模擬槽,采用厚240 mm磚墻做圍護結(jié)構(gòu),磚墻內(nèi)壁及槽底敷設(shè)彈性體改性瀝青防水卷材。模擬槽內(nèi)回填素填土、壓實,模擬隧底結(jié)構(gòu)。按單線鐵路隧道混凝土整體襯砌隧底結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計隧底模型(圖1),自下而上分別為素填土層(隧道中線處厚500 mm)、C20模筑素混凝土仰拱(厚300 mm)、C15混凝土填充層(隧道中線處厚456 mm)、卵礫石(粒徑10~30 mm)、道砟層(厚500 mm)。采用100 mm×100 mm方木模擬枕木(長1.2 m),間距625 mm;采用Ⅰ16工字鋼模擬軌道。破損的填充層、仰拱采用C20混凝土塊進行模擬。
為保證試驗?zāi)P团c實際工程的一致性,委托具有隧道施工經(jīng)驗的施工單位,按圖1進行制作,制作過程見圖2。
圖2 隧底模型制作過程
地質(zhì)雷達主機采用SIR-20型主機,天線采用400 MHz空氣耦合天線,數(shù)據(jù)處理用地質(zhì)雷達自帶的RADAN后處理軟件。
如圖1所示,在軌道外側(cè)距軌道80 cm的位置設(shè)置測線1和測線2,并以人工牽引的方式沿測線對隧底進行檢測(地質(zhì)雷達天線距道砟表面30 cm)。地質(zhì)雷達主機脈沖重復(fù)頻率75 kHz,采樣點數(shù)512,掃描速率75次/s。
經(jīng)后處理軟件處理得到的隧底地質(zhì)雷達圖見圖3。根據(jù)地質(zhì)雷達電磁波在介質(zhì)層中振幅指數(shù)衰減特性及各界面反射系數(shù)的正負變化引起的相位變化特點可確定各介質(zhì)層間的界面位置[9-10]。
對比地質(zhì)雷達圖中的介質(zhì)層分布和試驗?zāi)P蛯嶋H情況,可知:①道砟層、填充層、仰拱、圍巖各層之間的界面出現(xiàn)強反射同相軸,各介質(zhì)層界面清晰可辨;②道砟層頂部出現(xiàn)間斷的強反射同相軸,底部無明顯強反射信號;③對于隧底完整段,填充層、仰拱無明顯異常和連續(xù)的強反射同相軸;④對于破損段,填充層、仰拱出現(xiàn)不規(guī)則強反射,同相軸間斷,雜亂無章,填充層和仰拱破損部分頂部較明顯。
圖3 地質(zhì)雷達剖面圖
圖4為測線1上測點ZC1—ZC16(測點編號見圖1)的地質(zhì)雷達波形圖,通過相位分析可得各介質(zhì)層的界面位置,作為介質(zhì)層厚度定量分析的基礎(chǔ)。
圖4 測點地質(zhì)雷達波形圖
對于介質(zhì)層厚度的定量分析,相對介電常數(shù)εr的確定至關(guān)重要。相對介電常數(shù)的取值直接影響介質(zhì)層厚度檢測的準確性。由于試驗?zāi)P透鹘橘|(zhì)層厚度的量測較容易,因此采用反演法按式(1)確定εr。以多點反演計算值的算術(shù)平均值εˉr作為計算介質(zhì)層厚度的平均相對介電常數(shù)值,以減少計算誤差。
式中:C為光速,取0.3 m/ns;Δt為電磁波在介質(zhì)層中的雙程旅時,ns;D為介質(zhì)層厚度實測值,m。
介質(zhì)層厚度計算值D′的計算公式為
由式(1)和式(2)可計算得到各測點處道砟層、仰拱(完整段包括填充層)、破損填充層的厚度計算值,分別見表1—表3。其中v為電磁波濃度。
表1 道砟層厚度檢測結(jié)果
表2 仰拱(完整段含填充層)厚度檢測結(jié)果
表3 破損填充層厚度檢測結(jié)果
由表1可知:①隧底完整段(ZC1—ZC8)道砟層中電磁波波速v為0.141~0.180 m/ns,其平均波速vˉ為0.157 m/ns;εr為2.8~4.5,其平均相對介電常數(shù)εˉr為3.7。②隧 底 破 損 段(ZC9—ZC16)道 砟 層 中v為0.191~0.248 m/ns,其vˉ為0.223 m/ns;εr為1.5~2.5,εˉr為1.8??梢姡姶挪ㄔ诘理膶又胁ㄋ龠_到空氣中波速(0.3 m/ns)的1/2~2/3,傳播速度較快,這與道砟層較松散、空隙大的實際情況相吻合。③隧底破損段道砟層εr普遍小于隧底完整段,說明破損段道砟層較松散。④道砟層厚度計算值與實測值差值在-6.8~8.5 cm,最大相對誤差15.8%。
由表2可知:①隧底完整段仰拱中v為0.121~0.137 m/ns,vˉ為0.157 m/ns;εr為4.8~6.1,εˉr為5.4。隧 底 破 損 段 仰 拱 中v為0.122~0.163 m/ns,vˉ為0.141 m/ns;εr為3.4~6.0,εˉr為4.6。可見,電磁波在隧底完整段和破碎段仰拱中的波速差別不大,εr接近。②仰拱厚度計算值與實測值差值在-4.4~4.4 cm,最大相對誤差14.3%。
由表3可知:①隧底破損填充層中v為0.079~0.105 m/ns,vˉ為0.085 m/ns;εr為8.2~14.3,εˉr為8.6??梢?,電磁波在破損填充層中的波速比完整填充層小,εr比完整填充層大。②破損填充層厚度計算值與實測值差值在-0.6~7.0 cm,最大相對誤差29.4%,與完整填充層相比其誤差偏大。
綜合表1—表3的分析可知,對于介質(zhì)層厚度的檢測結(jié)果,完整填充層的檢測精度較高,而松散的道砟層和破損填充層檢測精度較低。
同理,采用上述方法可得到測線2各測點處各介質(zhì)層厚度實測值,電磁波在介質(zhì)層中的雙程旅時、波速、相對介電常數(shù)值以及按各層相對介電常數(shù)值平均值計算出的介質(zhì)層厚度計算值。測線2計算結(jié)果與測線1一致,在此不再贅述。
1)在地質(zhì)雷達圖上,隧底的不同介質(zhì)層界面較清晰,可定性判斷出各界面,并且破損填充層有明顯的異常顯示。
2)通過反演計算介質(zhì)層多個測點的相對介電常數(shù),以平均相對介電常數(shù)為計算基礎(chǔ),可較為準確地定量分析隧底道砟層、填充層、仰拱等介質(zhì)層的厚度。
3)檢測精度隨介質(zhì)層的完整程度而存在差異。完整介質(zhì)層檢測精度較高,破損介質(zhì)層檢測精度則較低。