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        公路隧道襯砌質(zhì)量缺陷及雷達(dá)檢測技術(shù)

        2022-05-10 09:09:52賈金曉趙益鑫
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年14期
        關(guān)鍵詞:介電常數(shù)卷材空洞

        賈金曉 張 逸 趙益鑫

        (招商局重慶公路工程檢測中心有限公司,重慶 400000)

        在公路隧道建設(shè)初期,受限于施工工藝落后、施工管理水平低、質(zhì)量檢測技術(shù)較為落后等方面因素,導(dǎo)致隧道在建設(shè)過程中、現(xiàn)階段運(yùn)營過程中出現(xiàn)一些質(zhì)質(zhì)量缺陷如:襯砌背后空洞、欠厚、不密實(shí)、防水板卷入襯砌等。導(dǎo)致了隧道運(yùn)營安全和使用壽命受到影響。因此,在隧道施工過程中及時進(jìn)行質(zhì)量檢測并消除質(zhì)量缺陷對隧道安全運(yùn)營尤其重要?,F(xiàn)階段以地質(zhì)雷達(dá)法為代表的無損檢測技術(shù)在隧道質(zhì)量檢測中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。田海洋等人采用圖像特征分析技術(shù),提高了隧道襯砌雷達(dá)無損檢測辨識精度[3];崔廣炎等利用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)對隧道襯砌典型病害進(jìn)行辨識方法研究[4]。本文在基于大量的檢測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工程實(shí)例,對隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷進(jìn)行分類,提出了各類質(zhì)量缺陷的形成原因及防治建議,并總結(jié)了各類質(zhì)量缺陷的電磁波反射特征。

        1 地質(zhì)雷達(dá)原理

        地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)有硬件、數(shù)據(jù)采集軟件及后處理軟件構(gòu)成。硬件包括:發(fā)射及接收天線、控制器、連接線等部分。

        其工作原理是:發(fā)射器通過發(fā)射天線向隧道襯砌與圍巖中定向發(fā)射電磁波,工作時天線貼在襯砌表面或路面,儀器與工作人員均在高空作業(yè)車上或汽車內(nèi),共同隨汽車的勻速行駛向前移動。在地下定向傳播的電磁波當(dāng)遇到有電性(介電常數(shù)和電導(dǎo)率)差異的界面時即發(fā)生反射。反射波由處于接收狀態(tài)的接收天線和接收器所接收。另外,最先收到由發(fā)射天線經(jīng)天線所在襯砌表面到達(dá)接收天線的直達(dá)波并作為系統(tǒng)時間的零點(diǎn)。通過對反射波信號進(jìn)行一系列的后處理(輸入有關(guān)參數(shù)、濾波、放大、改變顯示方式和編輯等)后,取反射波往返時間之半,乘以相應(yīng)介質(zhì)的雷達(dá)波速度即為反射目標(biāo)深度。再根據(jù)反射波的強(qiáng)度、形狀及其在縱向和豎(環(huán))向上的變化情況來判別反射目標(biāo)的性質(zhì)(目標(biāo)識別),如襯砌厚度、圍巖空洞及裂縫等。圖1、圖2 分別為地質(zhì)雷達(dá)探測原理和地質(zhì)雷達(dá)動態(tài)探測示意圖。

        圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

        圖2 地質(zhì)雷達(dá)動態(tài)探測示意圖

        2 地質(zhì)雷達(dá)檢測適用性分析

        在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中,混凝土、鋼筋、鋼拱架、空隙、防水卷材等物質(zhì)的介電常數(shù)存在明顯差異。在進(jìn)行隧道襯砌檢測時,為了減少空氣的干擾,天線需要緊貼在襯砌表面上,電磁波通過天線進(jìn)入混凝土襯砌中,遇到不同材料時,由于介電常數(shù)的差異就會產(chǎn)生反射,反射波回到接收天線后,由反射波的走時和速度,可以計(jì)算得出天線距反射面的距離。隧道襯砌結(jié)構(gòu)中常見物質(zhì)介電常數(shù)見表1 所示。

        表1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)中常見物質(zhì)介電常數(shù)

        3 襯砌質(zhì)量缺陷形式及電磁波特征

        公路隧道襯砌質(zhì)量缺陷主要可分為4 種:襯砌空洞、襯砌不密實(shí)、襯砌欠厚、防水板材卷入襯砌。表2 為襯砌混凝土質(zhì)量缺陷及相應(yīng)的病害特征。

        表2 隧道襯砌混凝土質(zhì)量缺陷及病害特征

        3.1 襯砌空洞

        隧道空洞病害主要發(fā)生在初期支護(hù)與圍巖之間、二次襯砌與初期支護(hù)之間。初期支護(hù)與圍巖之間的空洞往往由于施工超挖引起,大面積的初期支護(hù)背后空洞易引起圍巖(特別是圍巖地質(zhì)情況較差)二次脫落,進(jìn)而誘發(fā)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂變形、坍塌關(guān)門等事故;初期支護(hù)與二襯間的空洞多出現(xiàn)在拱部(尤其是拱頂區(qū)域),產(chǎn)生原因主要有以下幾方面:

        a.施工工藝不成熟,導(dǎo)致拱部混凝土的飽滿程度不夠;

        b.混凝土干縮,造成二襯與初期支護(hù)間不密貼;

        c.防水層過于緊繃,造成防水板背后空洞。

        電磁波反射特征:圖3 為初期支護(hù)與二襯間空洞及雷達(dá)波形圖,空洞結(jié)構(gòu)一般為混凝土(鋼筋)- 空氣- 巖石混凝土(鋼筋),混凝土、空氣、巖石都屬于高阻介質(zhì),介電常數(shù)差異決定了反射系數(shù)。電磁波由混凝土(相對介電常數(shù)為6.4)進(jìn)入空氣(相對介電常數(shù)為1.0),電磁波發(fā)生較強(qiáng)正反射,反射波相位不變,與子波相位一致。

        圖3 襯砌空洞及雷達(dá)波形特征圖

        防治建議:

        a.采用帶模注漿工藝;

        b.安裝壓力傳感器等裝置對二次襯砌澆筑飽滿程度進(jìn)行判別;

        c.確保防水卷材鋪設(shè)松緊適當(dāng)。

        3.2 襯砌欠厚

        二次襯砌欠厚是施工中常見的質(zhì)量問題,主要原因分析如下:

        a.澆筑工藝不成熟,難以判別拱頂區(qū)域混凝土的飽滿程度,造成拱頂混凝土澆筑量不夠形成空洞,導(dǎo)致厚度不足;

        b.對欠挖情況未進(jìn)行處理,導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)侵入二次襯砌建筑限界;

        c.由于測量不準(zhǔn)確,隧道開挖軸線出現(xiàn)偏位,導(dǎo)致一側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足;

        d.初期支護(hù)鋼架變形侵入二次襯砌限界。

        e.臺車固定不牢,混凝土澆筑時臺車偏位引起襯砌厚度不足;

        f.防水層松弛度過小,襯砌拱部繃緊,壓縮了二次襯砌空間;防水層松弛度過大,導(dǎo)致其在襯砌背后形成褶皺堆積,侵占二次襯砌空間。

        如圖4 所示,隧道拱部襯砌局部嚴(yán)重欠厚,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均,局部應(yīng)力集中,發(fā)生剝落;雷達(dá)波形特征表現(xiàn)為:初期支護(hù)鋼拱架表現(xiàn)為月牙形反射,無限靠近首波界面。

        圖4 襯砌局部欠厚及雷達(dá)波形特征圖

        防治建議:

        a.開挖時控制好圍巖超欠挖,對欠挖部分進(jìn)行處理后方可進(jìn)行后續(xù)施工;

        b.嚴(yán)格開挖階段、臺車固定階段的測量放樣;

        c. 確保防水卷材鋪設(shè)松緊適當(dāng);

        d. 確保初期支護(hù)鋼架安裝定位準(zhǔn)確等。

        3.3 襯砌不密實(shí)

        襯砌不密實(shí)產(chǎn)生原因主要有以下方面:

        a. 混凝土配合比不當(dāng);

        b.澆筑過程中,二次襯砌模板臺車密封差,導(dǎo)致水泥漿液流失;

        c. 漏振或振搗時間不夠造成模筑混凝土局部不均勻等。

        雷達(dá)波形特征一般表現(xiàn)為:電磁波多呈現(xiàn)雜亂不規(guī)則的點(diǎn)狀強(qiáng)反射特征,如圖5 所示。

        圖5 襯砌局部不密實(shí)及雷達(dá)波形特征圖

        防治建議:嚴(yán)格控制混凝土拌合料配合比工序;確保二次襯砌澆筑臺車密封效果,防止漏漿;澆筑過程中充分振搗。

        3.4 防水板卷入襯砌

        防水板是初期支護(hù)與二襯之間的隔水層。通常情況下,防水板卷入襯砌并不常見,且主要出現(xiàn)在二次襯砌為素砼的情況下。防水板卷入襯砌會造成襯砌在運(yùn)營過程中局部開裂,甚至大面積剝落掉塊。因防水板松弛度過大卷入襯砌,一般為雙層卷入,在混凝土充分干縮后,空隙體積變大,地質(zhì)雷達(dá)可識別(見圖6);主要有兩個產(chǎn)生原因:

        圖6 防水板卷入襯砌及雷達(dá)波形特征圖

        a.防水板存在破損未進(jìn)行修補(bǔ),澆筑混凝土流入防水板后;

        b.防水板松弛度過大。

        雷達(dá)波形特征一般表現(xiàn)為:首波與初期支護(hù)反射界面之間多了一條反射界面,該反射界面由初期支護(hù)部位延伸出來;由于防水卷材介電常數(shù)較小,電磁波由混凝土進(jìn)入防水卷材時發(fā)生正反射,反射波相位不變,與子波相位一致。

        防治建議:加強(qiáng)防水卷材固定措施;防水卷材鋪設(shè)松緊適當(dāng);二次襯砌混凝土澆筑前進(jìn)行檢查,確保防水板完好。

        4 結(jié)論

        4.1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)作為無損檢測的重要手段,電磁波在二次襯砌各種質(zhì)量缺陷形式探測中有明顯的反射特征。利用電磁波在不同襯砌質(zhì)量缺陷中的反射特征,可以對隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷進(jìn)行檢測、分類,為質(zhì)量缺陷的處理提供針對性較強(qiáng)的依據(jù)。

        4.2 綜合對襯砌質(zhì)量缺陷成因分析,可以發(fā)現(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量缺陷主要形成于建設(shè)過程中。因此為了提升工程質(zhì)量,確保隧道使用壽命及運(yùn)營安全,加強(qiáng)建設(shè)過程中質(zhì)量管控是必由之路。

        4.3 為了提高隧道襯砌質(zhì)量,減少缺陷,應(yīng)嚴(yán)格施工管理,推動施工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

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