李 星 王樹棟 牟元存

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

近年來，我國每年建成的鐵路隧道數(shù)量呈快速增長趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 至2018年底，我國已建成運(yùn)營的鐵路隧道有15 117座，其中高速鐵路隧道3 000余座[1-2]。隨著大量鐵路隧道的開通運(yùn)營，鐵路隧道災(zāi)害的發(fā)生數(shù)量也不可避免地逐漸增多，鐵路隧道的運(yùn)營防災(zāi)問題越來越受到社會(huì)各界的高度關(guān)注和重視。隧道災(zāi)害發(fā)生后，若不能及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)災(zāi)后隧道進(jìn)行病害調(diào)查，則極有可能在恢復(fù)運(yùn)營后產(chǎn)生更加嚴(yán)重的二次災(zāi)害。因此，對(duì)鐵路隧道進(jìn)行病害調(diào)查、檢測(cè)及整治是災(zāi)后恢復(fù)運(yùn)營前必不可少的工作。

1 鐵路隧道運(yùn)營期病害統(tǒng)計(jì)

由于在環(huán)境及結(jié)構(gòu)上的特殊性，鐵路隧道一旦發(fā)生事故，后果可能相當(dāng)嚴(yán)重。文獻(xiàn)[3]收集了80余起國內(nèi)外鐵路隧道運(yùn)營期的事故案例。其中發(fā)生災(zāi)害較多的國家及地區(qū)有中國(24例)、英國(15例)、日本(10例)、法國(5例)、英法海峽隧道(7例)等。發(fā)生災(zāi)害的主要類型有火災(zāi)(43例)、列車脫軌(15例)、列車碰撞(9例)、列車停車(7例)、隧道襯砌混凝土剝落(6例)、炸彈爆炸(2例)、設(shè)施脫落(1例)等。這些災(zāi)害事故共造成 1 086人死亡、2 357人受傷，導(dǎo)致行車中斷 14 396 h，造成的經(jīng)濟(jì)損失更是無法估量。

隧道火災(zāi)、列車脫軌、列車碰撞、襯砌剝落及設(shè)施脫落為目前鐵路隧道運(yùn)營過程中需防范的重點(diǎn)[4]。同時(shí)，隧道災(zāi)害會(huì)對(duì)鐵路隧道襯砌、道床、軌道及其他附屬設(shè)施造成損壞，包括襯砌脫落、襯砌強(qiáng)度下降、襯砌裂縫、道床及軌道損壞、附屬設(shè)施損壞等。

隧道內(nèi)既有隱伏病害是造成鐵路隧道災(zāi)害發(fā)生的重要因素。分析我國近年來運(yùn)營隧道發(fā)生的襯砌剝落事件可知，隧道襯砌剝落處往往存在襯砌厚度不足、襯砌背后脫空等襯砌施工質(zhì)量缺陷。隨著時(shí)間的推移，這些施工時(shí)遺留下的隱伏病害最終可能導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，造成運(yùn)營期的隧道災(zāi)害。

2 鐵路隧道的病害檢測(cè)與評(píng)估

地震、水害、火災(zāi)等常見災(zāi)害造成的隧道結(jié)構(gòu)表觀損傷主要有凈空侵限、開裂、滲漏水、掉塊等，內(nèi)在損傷主要有結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度降低、背后脫空、鋼架扭曲變形等。針對(duì)災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷，必須建立表觀與物探相結(jié)合的快速檢測(cè)方法和健康狀態(tài)的檢測(cè)快速評(píng)估體系，才能及時(shí)、合理地確定災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)的修復(fù)和整治措施。鐵路隧道的災(zāi)害檢測(cè)方法，按檢測(cè)原理的不同可分為物探檢測(cè)方法和非物探檢測(cè)方法，按對(duì)檢測(cè)對(duì)象損害與否可分為無損檢測(cè)方法和破損性檢測(cè)方法。不同的檢測(cè)方法有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)與適用性，在災(zāi)害檢測(cè)中利用多種檢測(cè)方法進(jìn)行綜合檢測(cè)，才能徹底調(diào)查清楚鐵路隧道內(nèi)的災(zāi)害分布，為隧道整治提供有效依據(jù)。

2.1 物探法檢測(cè)

2.1.1地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是通過發(fā)射高頻電磁波，檢測(cè)反射回來的信號(hào)來判斷隧道襯砌質(zhì)量的一種普遍使用的隧道襯砌缺陷檢測(cè)方法。經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為了成熟、便捷的襯砌檢測(cè)方法。地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)設(shè)備一般由主機(jī)、連接線及天線組成，檢測(cè)時(shí)僅需將天線緊貼襯砌表面沿檢測(cè)測(cè)線方向移動(dòng)即可。利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌進(jìn)行檢測(cè)，可調(diào)查隧道襯砌及仰拱的密實(shí)情況、空洞分布、厚度及鋼筋分布等參數(shù)[5]。

(1)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道混凝土密實(shí)度的檢測(cè)

澆筑隧道混凝土構(gòu)件時(shí)，必須對(duì)混凝土進(jìn)行振搗，消除混凝土中的氣泡，提高其密實(shí)度。若混凝土振搗不到位或混凝土中摻雜了其他雜質(zhì)、異物，則會(huì)導(dǎo)致隧道混凝土不密實(shí)，此時(shí)雷達(dá)剖面上會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的強(qiáng)反射，如圖1所示。

圖1 混凝土內(nèi)不密實(shí)缺陷的雷達(dá)剖面圖

(2)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌空洞的檢測(cè)

隧道施工過程中，若拱頂混凝土澆筑未灌滿或襯砌背后回填注漿不到位，則極易造成隧道襯砌混凝土出現(xiàn)脫空或空洞。此時(shí)雷達(dá)剖面會(huì)出現(xiàn)明顯的強(qiáng)反射信號(hào)，三振相(瞬時(shí)相位頻率振幅)明顯發(fā)生變化，如圖2所示。

圖2 混凝土中脫空的典型雷達(dá)剖面圖

需要注意的是，當(dāng)襯砌內(nèi)部的鋼筋背后存在脫空時(shí)，脫空在雷達(dá)剖面中的反射會(huì)被鋼筋層的反射嚴(yán)重干擾(如圖3所示)。此時(shí)僅能從振幅強(qiáng)度與微弱的反射界面來辨識(shí)脫空的存在，且很難定量判定。

圖3 鋼筋混凝土背后脫空的雷達(dá)剖面圖

(3)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道鋼筋、鋼架分布的檢測(cè)

襯砌內(nèi)部鋼筋的雷達(dá)響應(yīng)判定特征為連續(xù)的小雙曲線形反射信號(hào)。鋼架的雷達(dá)響應(yīng)判定特征為分散的月牙型強(qiáng)反射信號(hào)。根據(jù)以上的響應(yīng)特征，可通過雷達(dá)檢測(cè)剖面(如圖4、圖5所示)來判識(shí)鋼筋與鋼架的位置分布，有效檢查施工中是否按照設(shè)計(jì)要求布設(shè)鋼筋與鋼架。

圖4 鋼拱架在雷達(dá)剖面中的響應(yīng)圖像

圖5 鋼筋在雷達(dá)剖面中的響應(yīng)圖像

(4)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌厚度的檢測(cè)

若隧道開挖過程中存在欠挖或未嚴(yán)格按要求復(fù)測(cè)隧道初支凈空侵限等情況，則會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌厚度不滿足設(shè)計(jì)厚度要求。此時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)剖面中的襯砌厚度會(huì)出現(xiàn)明顯的減小(如圖6所示)。

圖6 隧道襯砌厚度不足的雷達(dá)剖面圖

綜上所述，利用地質(zhì)雷達(dá)可檢測(cè)隧道襯砌背后的脫空、密實(shí)度、鋼筋分布及襯砌厚度等參數(shù)，且該方法具有檢測(cè)效率高、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)，在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用，并有大量的成功案例。但由于地質(zhì)雷達(dá)是一種使用電磁波探測(cè)的方法，因此鋼筋屏蔽對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的結(jié)果影響較大，在鋼筋混凝土襯砌中，雷達(dá)檢測(cè)的分辨率會(huì)大幅下降，甚至基本無法精確定量解釋判識(shí)。

2.1.2回彈法

回彈法作為一種非破損簡(jiǎn)單便捷的測(cè)定混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)方法，被普遍應(yīng)用于評(píng)價(jià)混凝土的抗壓強(qiáng)度。該方法將設(shè)備內(nèi)的重錘垂直彈向測(cè)試混凝土表面，通過測(cè)定重錘回彈距離來判定混凝土的強(qiáng)度。

回彈法僅能檢測(cè)構(gòu)件表面的抗壓強(qiáng)度，并需有相同環(huán)境、相同條件下的對(duì)照數(shù)據(jù)庫，當(dāng)受試件表面碳化影響較大時(shí)，還需進(jìn)行碳化深度修正。因此，回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的精度較低，準(zhǔn)確判定混凝土的抗壓強(qiáng)度還需進(jìn)行取芯試驗(yàn)。

2.1.3沖擊回波法

沖擊回波法是在測(cè)試構(gòu)件表面以沖擊方式產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊彈性波，接收沖擊彈性波型號(hào)，通過分析接收信號(hào)波速、波形和主頻等參數(shù)的變化來判斷混凝土構(gòu)件的厚度或內(nèi)部缺陷的方法。其檢測(cè)原理如圖7所示。

圖7 沖擊回波檢測(cè)原理圖

沖擊回波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到界面或缺陷時(shí)，彈性波的頻率會(huì)發(fā)生改變，通過分析這種變化即可判定混凝土的厚度及內(nèi)部缺陷情況。利用沖擊回波法檢測(cè)混凝土厚度與內(nèi)部缺陷時(shí)，可分別根據(jù)實(shí)測(cè)頻域曲線主頻和主頻漂移情況來判定。

(1)沖擊回波法對(duì)混凝土厚度的檢測(cè)

當(dāng)測(cè)得的沖擊回波頻率峰值出現(xiàn)明顯連續(xù)的低頻漂移，并低于無缺陷構(gòu)件的頻率峰值時(shí)，可判定混凝土出現(xiàn)了欠厚現(xiàn)象(如圖8所示)，具體測(cè)試厚度可按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：T——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度值(m)；

vp——混凝土的表觀波速(m/s)；

F——檢測(cè)結(jié)果的頻率波峰值(Hz)。

圖8 混凝土厚度不足的沖擊回?fù)軝z測(cè)結(jié)果圖

(2)沖擊回波法對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的檢測(cè)

當(dāng)測(cè)得的沖擊回波頻率峰值出現(xiàn)突然的低頻突變或同時(shí)出現(xiàn)另一個(gè)高頻峰值f時(shí)，可判定混凝土內(nèi)部存在不密實(shí)、空洞等缺陷(如圖9所示)，具體缺陷情況可根據(jù)主頻漂移的幅度進(jìn)行判定。

圖9 混凝土內(nèi)部缺陷的沖擊回?fù)軝z測(cè)結(jié)果圖

沖擊回波法作為一種利用彈性波的無損檢測(cè)方法，不受混凝土內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的影響，可有效彌補(bǔ)地質(zhì)雷達(dá)法受鋼筋屏蔽作用影響的缺陷。但由于其為頻率域檢測(cè)方法，分辨率和準(zhǔn)確程度都不是很高，對(duì)于混凝土內(nèi)部缺陷往往也只能定性判斷，無法定量判識(shí)。

2.1.4超聲探測(cè)法

超聲探測(cè)法是通過接收發(fā)射的超聲脈沖，并接收分析信號(hào)的聲速、頻率、波幅來判斷混凝土內(nèi)部缺陷的一種無損檢測(cè)方法。超聲法可檢測(cè)混凝土內(nèi)部的空洞、離析以及混凝土裂縫的深度。由于超聲波頻率較高，因此相較于其他無損檢測(cè)方法，超聲探測(cè)法的分辨率也較高，當(dāng)接收波形、走時(shí)、振幅、頻率出現(xiàn)明顯的衰減時(shí)，即可判斷缺陷的存在。

2.1.5電磁感應(yīng)鋼筋探測(cè)法

電磁感應(yīng)鋼筋探測(cè)法是通過向混凝土內(nèi)部發(fā)射電磁波，通過設(shè)備接收鋼筋產(chǎn)生的二次感應(yīng)磁場(chǎng)，分析感應(yīng)磁場(chǎng)的脈沖強(qiáng)度來判斷混凝土中鋼筋位置及保護(hù)層厚度的一種檢測(cè)方法。通過鋼筋檢測(cè)儀在構(gòu)件表面掃描，可直接讀取構(gòu)件內(nèi)部的鋼筋位置、直徑和鋼筋保護(hù)層厚度。

電磁感應(yīng)鋼筋探測(cè)法的分辨率較高，誤差一般為2～5 mm，可較為準(zhǔn)確地判斷鋼筋的位置和保護(hù)層厚度，同時(shí)不受鋼筋周圍介質(zhì)性質(zhì)的影響。但其受周邊鋼筋及網(wǎng)格狀鋼筋的影響較大，且該方法僅能檢測(cè) 10 cm埋深內(nèi)的鋼筋，在鐵路隧道檢測(cè)中僅適用于道床板鋼筋的檢測(cè)。隧道襯砌的鋼筋埋深較大，無法使用電磁感應(yīng)鋼筋檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 非物探法檢測(cè)

2.2.1表觀檢測(cè)[6-7]

隧道表面裂縫、滲漏水、缺角掉塊等病害直接用肉眼觀察即可進(jìn)行直觀判定。傳統(tǒng)的表觀檢測(cè)方法為通過目視、敲擊與拍照，對(duì)病害主要指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)(如裂縫長度、寬度)并做好記錄。隨著光學(xué)、工業(yè)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，如今可利用車載高清攝像頭對(duì)隧道進(jìn)行表觀連續(xù)拍攝，再通過工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像病害識(shí)別提取和病害信息分析，并自動(dòng)形成檢測(cè)結(jié)果。引入高清攝像和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可大幅提高表觀檢測(cè)效率與檢測(cè)準(zhǔn)確性。

2.2.2鉆芯法

(1)利用鉆芯法進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

鉆芯法是確定混凝土抗壓強(qiáng)度最直觀、最準(zhǔn)確的方法，通過鉆芯取樣和實(shí)驗(yàn)，可直接獲得芯樣的抗壓強(qiáng)度。但鉆芯法獲得的抗壓強(qiáng)度僅代表所取樣本的抗壓強(qiáng)度，若要通過鉆芯法查明整座隧道的混凝土強(qiáng)度，不僅工作量巨大，還會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，鉆芯取樣一般布置于已發(fā)現(xiàn)病害區(qū)域范圍內(nèi)，用以對(duì)病害進(jìn)行確認(rèn)。

(2)利用鉆芯法進(jìn)行脫空注漿效果檢測(cè)

對(duì)于隧道襯砌脫空，工程上一般采用注漿處理，若注漿體與原襯砌混凝土結(jié)合不佳，則注漿體會(huì)像一塊巨大的孤石壓在原襯砌之上，成為隧道更大的安全隱患。由于注漿所用砂漿與原始混凝土的成份始終存在差異，無論是其密度還是其介電常數(shù)均有所不同，因此，地質(zhì)雷達(dá)法或彈性波法的檢測(cè)剖面均會(huì)存在反射現(xiàn)象，無法判斷注漿體與原始襯砌是否存在不密貼的情況。此時(shí)，鉆芯法便是判斷注漿體與原始襯砌是否密貼的唯一有效方法。小孔鉆芯后，可通過所取芯樣對(duì)注漿是否密實(shí)進(jìn)行判斷，同時(shí)還可利用內(nèi)窺鏡通過鉆芯孔對(duì)注漿效果進(jìn)行復(fù)查。

2.2.3激光斷面掃描法[8-11]

三維激光掃描是近年來在工程中廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)，較傳統(tǒng)的測(cè)量手段，作業(yè)效率更高，人工工作量更少，測(cè)量精度更可靠，信息化程度更高，是進(jìn)行隧道斷面凈空檢測(cè)和沉降檢測(cè)的一大利器。

三維激光掃描可分為移動(dòng)式車載測(cè)量和地面架站式三維激光掃描，其中車載式三維激光掃描非常適合運(yùn)營隧道的檢測(cè)工作。相較于架設(shè)全站儀斷面測(cè)量，三維激光掃描可快速、便捷地獲取隧道表面掉塊、裂縫及滲漏水等病害狀態(tài)，同時(shí)還可快速獲得檢測(cè)段落連續(xù)的隧道凈空和橫斷面圖，為隧道后續(xù)加固、整治工作提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 災(zāi)后病害的綜合檢測(cè)系統(tǒng)

目前，國外已有廠家研發(fā)出了集成多種檢測(cè)設(shè)備的綜合檢測(cè)系統(tǒng)，如日本W(wǎng)ALNUT株式會(huì)社研發(fā)的隧道綜合檢測(cè)車載系統(tǒng)。該系統(tǒng)可搭載在普通平板列車上，不需特殊的交通管制，可一邊行駛一邊測(cè)量。通過其搭載的非接觸式空氣耦合雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)(MRS)、高清隧道表面攝像系統(tǒng)(MIS)和三維移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)(MMS)3套檢測(cè)系統(tǒng)，可快速地對(duì)隧道襯砌表面進(jìn)行高清攝影，對(duì)隧道斷面進(jìn)行三維激光掃描，對(duì)隧道襯砌背后的空洞和不密實(shí)情況進(jìn)行檢測(cè)。其中，非接觸式空氣耦合雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)可有效避免鐵路隧道接觸網(wǎng)及通風(fēng)系統(tǒng)的對(duì)普通接觸式雷達(dá)檢測(cè)的影響，以70 km/h的速度連續(xù)檢測(cè)。

綜上，隧道車載綜合檢測(cè)系統(tǒng)可作為一種有效的隧道病害普查工具，與鐵路隧道的定期檢查一起實(shí)施，大幅提高檢查精度，降低檢測(cè)成本。

如今，國內(nèi)亦有企業(yè)及科研院校對(duì)隧道綜合檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，如西南交通大學(xué)研發(fā)的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測(cè)方法與裝置等，但尚無可大面積商用的綜合檢測(cè)車載產(chǎn)品問世。

3 隧道襯砌病害的綜合檢測(cè)

不同的隧道襯砌病害類型應(yīng)采用不同的檢測(cè)方法，不同的檢測(cè)方法對(duì)不同的病害類型又有不同的檢測(cè)效果，各類隧道病害檢測(cè)方法如表1所示。

表1 各類隧道病害檢測(cè)方法表

在隧道檢測(cè)中，合理選擇檢測(cè)方法是提高檢測(cè)效率的重要手段。使用綜合檢測(cè)手段，針對(duì)隧道的具體情況選取合適的方法進(jìn)行檢測(cè)，能夠高效解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題。檢測(cè)可分為以下4個(gè)階段。

(1)第一階段

進(jìn)行隧道勘察設(shè)計(jì)資料及建設(shè)期施工資料的調(diào)查分析。通過該階段可了解隧道的水文地質(zhì)條件和建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工與竣工資料，初步判斷可能出現(xiàn)缺陷的原因、段落等。

(2)第二階段

進(jìn)行隧道病害的普查工作。利用三維激光掃描和表觀檢測(cè)手段，調(diào)查隧道中的襯砌裂縫、仰拱沉降起伏、道床開裂、隧道滲漏水等情況。利用地質(zhì)雷達(dá)法、回彈法、電磁感應(yīng)鋼筋探測(cè)法等檢測(cè)手段，調(diào)查隧道混凝土強(qiáng)度、襯砌背后的脫空及密實(shí)度、隧道及道床內(nèi)鋼筋的分布情況等。

(3)第三階段

針對(duì)第二階段發(fā)現(xiàn)的缺陷，選用其他無損方法進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)，如用沖擊回?fù)芊▽?duì)地質(zhì)雷達(dá)法發(fā)現(xiàn)的襯砌后缺陷進(jìn)行確認(rèn)，架設(shè)全站儀對(duì)激光斷面掃描法發(fā)現(xiàn)的斷面凈空異常進(jìn)行斷面測(cè)量確認(rèn)等。

(4)第四階段

梳理發(fā)現(xiàn)的缺陷，篩選出需要進(jìn)一步調(diào)查的嚴(yán)重缺陷，采用鉆芯法或超聲探測(cè)法進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，為缺陷治理提供詳細(xì)的依據(jù)。

4 結(jié)束語

在隧道檢測(cè)中，合理選擇檢測(cè)方法是提高檢測(cè)效率的重要手段。鐵路隧道的病害檢測(cè)有不同的分類方法。按檢測(cè)原理不同可分為圖像識(shí)別檢測(cè)技術(shù)、物探檢測(cè)技術(shù)和鉆芯法檢測(cè)技術(shù)，按對(duì)檢測(cè)對(duì)象損害與否可分為無損檢測(cè)方法和破損性檢測(cè)方法，不同的檢測(cè)方法有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)與適用性。通過在勘察設(shè)計(jì)期、建設(shè)期及運(yùn)營期等不同階段，使用綜合檢測(cè)手段，針對(duì)性地選擇合適的檢測(cè)手段對(duì)隧道病害進(jìn)行檢測(cè)，可為隧道的病害治理提供有力依據(jù)。