董兆剛

（中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護集團有限公司，北京 100000）

在高速公路工程中，為了改善線路線形和克服高程，常采用隧道結(jié)構(gòu)的方式穿越山體，因此在我國高速公路網(wǎng)加密的進程中，修建了大量的隧道工程[1-3]。盡管我國在隧道工程建設(shè)方面技術(shù)達到了世界領(lǐng)先水平，但是由于隧道結(jié)構(gòu)仍然屬于隱蔽性工程，其修建過程受到施工環(huán)境、開挖過程、爆破作用、機械設(shè)備開挖能力等因素的限制，導致隧道在開挖過程中不可避免地存在超挖現(xiàn)象，同時在隧道支護結(jié)構(gòu)的施作過程中如果存在回填不密實，造成初期支護襯砌脫空，初期支護表明平整度較差，防水板鋪設(shè)松弛，預埋管以及注漿回填不到位等，進而導致二次襯砌的澆筑厚度不一、密實程度也存在差異，造成二次襯砌與初期支護脫空，拱頂位置受到的圍巖應(yīng)力相對于拱圈其他位置最大，因此對其二次襯砌質(zhì)量的檢測有利于提高公路工程襯砌結(jié)構(gòu)的使用年限和提出加固維修措施改善二次襯砌的結(jié)構(gòu)受力[4]。

1 地質(zhì)雷達法基本原理及在公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測中的應(yīng)用

1.1 地質(zhì)雷達法的基本原理

地質(zhì)雷達法作為一種公路隧道的無損檢測方法，具有十分檢測高效、成本低廉、理論成熟以及具有圖像化成果等優(yōu)勢，在公路隧道健康監(jiān)測檢測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達設(shè)備一般由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要負責數(shù)據(jù)的采集與預處理，而軟件部分則負責數(shù)據(jù)處理、數(shù)學運算以及數(shù)據(jù)的解譯[5]。地質(zhì)雷達法的基本原理是通過硬件設(shè)備內(nèi)置的發(fā)射天線向道路內(nèi)部發(fā)射電磁波，電磁波遇到不同電性介質(zhì)的交界面后發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象，反射的電磁波能力被設(shè)備的接收天線接收，控制主機將電磁波信號轉(zhuǎn)化為電信號，將檢測信息數(shù)字化后存儲在設(shè)備存儲卡中，軟件設(shè)備可以隨時對采集數(shù)據(jù)進行調(diào)用、瀏覽和處理。地質(zhì)雷達發(fā)射的電磁波在路面介質(zhì)中傳播主要服從麥克斯韋經(jīng)典電磁理論，如方程（1）～方程（4）所示。

其中，E 為電磁矢量，H 為磁場矢量，B 為磁感強度，D 為電感強度。

1.2 地質(zhì)雷達法在公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達法在公路隧道二襯拱頂背后脫空檢測中的應(yīng)用效果依賴于電磁波在隧道襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖層中的傳播效率以及各結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)差異[6]。傳播效率方面可以通過傳播系數(shù)進行表示，地質(zhì)雷法設(shè)備發(fā)射的電磁波在隧道襯砌結(jié)構(gòu)、圍巖層的傳播系數(shù)如下：

其中，w為電磁波相位，μ 路面結(jié)構(gòu)的泊松比，ε 為道路結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)，σ 為隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的電導率。

本文以某高速公路二次襯砌拱頂背后脫空質(zhì)量檢測項目為例，介紹地質(zhì)雷達法在確定隧道襯砌質(zhì)量、襯砌與圍巖接觸情況指標中的應(yīng)用。

1.2.1 隧道二次襯砌層厚度檢測

公路隧道的各個襯砌結(jié)構(gòu)層的厚度主要通過地質(zhì)雷達采集的電磁波信號進行解譯得到，如方程（6）所示。

其中，c 為光速，εr為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)，△t 為電磁波在各面層之間的傳播時間。

從公式（6）中可以知道，隧道襯砌結(jié)構(gòu)材料各層之間的相對介電常數(shù)差異是確定隧道襯砌各結(jié)構(gòu)層厚度的重要計算參數(shù)，因此，在試驗之前需要對各個結(jié)構(gòu)層進行實測，結(jié)果如圖1 所示。從圖中可以看出，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)值越小，其在圖譜中的表現(xiàn)為越向純藍色靠近，三維效果上表現(xiàn)為下凹，隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)值越大，其在圖譜中的表現(xiàn)為越向純紅色靠近，三維效果上表現(xiàn)為上突。

圖1 隧道初期支護和二次襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)的圖譜

1.2.2 隧道拱頂二次襯砌結(jié)構(gòu)層的脫空的檢測

隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層在施工過程中由于超挖現(xiàn)象導致拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層與圍巖發(fā)生脫空現(xiàn)象，進一步地導致隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層受荷載后斷裂[7]。這些不良影響也會影響到隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層運營階段的使用效果。為此，采用地質(zhì)雷達法可以連續(xù)長距離地對隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)層破損脫空情況進行掃描。在地質(zhì)雷達的檢測過程中，如果電磁波遇到孔洞或者脫空時，介質(zhì)間的波阻抗差異導致反射的電磁波能量將明顯降低，在電磁波的時間域和頻率域均可以看到由于存在空洞和破碎導致的變化，波形上表現(xiàn)為不規(guī)則的雙曲線特征，且下方存在多次反射，具有可視化的圖像效果，如圖2 所示。而對于混凝土集料離析、襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足導致的脫空病害，容易形成電磁波信號的在各個結(jié)構(gòu)層之間的反射波能量較弱，導致波形錯亂，同相軸錯亂，圖像明暗程度也變化較大，在識別時可以與正常隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的電磁波反射信號進行區(qū)別和圈定范圍。

圖2 隧道拱頂二次襯砌存在脫空現(xiàn)象的波形反映

2 基于有限元模擬的公路隧道二次襯砌拱頂脫空分析

由前文的分析可知，受到施工過程的諸多因素影響，隧道二次襯砌與初期支護之間容易出現(xiàn)接觸不緊密和脫空現(xiàn)象，改變了襯砌結(jié)構(gòu)體系的受力，如果沒有及時采取檢測措施對脫空位置的范圍進行圈定，并采取有效的措施進行整治，容易導致襯砌結(jié)構(gòu)的破碎，甚至坍塌[8]。

為了更好地識別公路隧道二次襯砌拱頂脫空的電磁波響應(yīng)，以利于在地質(zhì)雷達波檢測數(shù)據(jù)對脫空位置的識別、提取和范圍的圈定，建立公路隧道拱頂二次襯砌脫空的有限元模型如圖3 所示。模型數(shù)值時，將隧道襯砌結(jié)構(gòu)的模型大小設(shè)定為3m 長，0.7m 厚，計算選用的電磁波波源為雷克子波，而發(fā)射頻率為850MHz，采用間隔為0.01m，為了提高對脫空空洞的識別，將模型的中的脫空范圍（尺寸）設(shè)定為80cm×8cm。

圖3 基于有限元模擬的公路隧道二次襯砌拱頂脫空模型

模型中，空洞內(nèi)考慮了無充填（空氣的介電常數(shù)為1.0，電導率為0s/m）和充填水（地下水的介電常數(shù)為81，電導率為0.01s/m）兩種工況。計算結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出，無論是二次襯砌脫空內(nèi)無充填還是充填地下水，在時間域內(nèi)地質(zhì)雷達的電磁波響應(yīng)均呈現(xiàn)為明顯的雙曲線型，但地下水與空氣的電磁波響也可以相互區(qū)別，這是因為地下水和空氣直接的節(jié)點常數(shù)和電導率均出現(xiàn)量級差異，因此電磁波在其中的傳播速率有所不同，在空氣中的傳播速率明顯大于在水中的傳播速率。因此表現(xiàn)在時間域的電磁波圖像上，空氣中的電磁波雙曲線頂點的初至時間更小，而地下水充填模型的電磁波雙曲線頂點的初至時間較大。另外，在波形上也不一致，無充填和地下水充填脫空模型的電磁波相位相反，且地下水充填脫空模型的電磁波存在二次反射現(xiàn)象。對時間域內(nèi)的單道電磁波進行抽取（如圖4（b）、圖4（c）所示），以可以看出明細的二次反射現(xiàn)象。

圖4 基于有限元模擬的公路隧道二次襯砌拱頂脫空分析結(jié)果

3 地質(zhì)雷達法檢測公路隧道二襯拱頂背后脫空的應(yīng)用效果

本文采用的地質(zhì)雷達測試儀器為LTDsample-2000型地質(zhì)雷達，發(fā)射天線為400MHz，天線設(shè)備的尺寸為32cm×32cm×21cm，探測深度范圍為0.1～3.0m，厚度的監(jiān)測誤差小于10%，可連續(xù)記錄8192 點，逐點測量，可提供偽彩圖和堆積波圖等。在采集數(shù)據(jù)完成后，首先對數(shù)據(jù)的格式進行轉(zhuǎn)化，將采集壞道和信號不良道，采取方向調(diào)整、中間道均衡以及合并、刪除等措施進行預處理，對于接觸不良導致的高度誤差，采取零點校正手段對反射波的起始零點進行校正，由于在測試的過程中，儀器設(shè)備受到周邊環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)信號受到干擾，在揭示的過程中噪聲電磁波信號影響了有效信號的解譯，因此可以采取軟件內(nèi)嵌的濾波功能進行數(shù)字濾波進行噪聲消除，提高信噪比。在分析和處理電磁波數(shù)據(jù)時，常常遇到波形的垂直分辨率不足的問題，導致隧道拱頂二次襯砌脫空的反射截面不清晰，影響有效信號或者波形同相軸的追蹤，因此，在實際的數(shù)據(jù)處理時候可以反褶積的數(shù)學處理方法提高電磁波的垂直分辨率，極大地提高了解譯的成功率，有利于讀取反射波的到達時間。

在某高速公路二次襯砌拱頂背后脫空質(zhì)量檢測項目中，依據(jù)數(shù)值模擬成果，采用地質(zhì)雷達法對隧道拱頂?shù)亩我r砌脫空進行現(xiàn)場實測，對其脫空現(xiàn)象的電磁波特征進行識別和提取，并圈定范圍，采用現(xiàn)場鉆孔驗證的方法驗證地質(zhì)雷達法的準確率，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 地質(zhì)雷達儀器檢測隧道拱頂二次襯砌結(jié)構(gòu)脫空誤差平均值

4 結(jié)論

依托實際隧道工程檢測項目，應(yīng)用地質(zhì)雷達法對隧道拱頂?shù)亩我r砌背后脫空進行檢測，得到以下幾個結(jié)論：

4.1 由于隧道初期支護、二次襯砌、脫空內(nèi)充填物（空氣或水）與圍巖體之間存在著明顯的物性差異，其介電常數(shù)的差異為地質(zhì)雷達法應(yīng)用于隧道拱頂二次襯砌背后脫空的檢測提供了良好的物理基礎(chǔ)。

4.2 當隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)與初期支護之間存在脫空現(xiàn)象時，無論是充填空氣或者充填水分，其地質(zhì)雷達電磁波的波形將出現(xiàn)顯著的響應(yīng)，在時間域上表現(xiàn)為明顯的拋物線型。

4.3 通過建立隧道拱頂二次襯砌結(jié)構(gòu)孔洞的有限元分析模型，研究結(jié)果表明，電磁波的波形出現(xiàn)明顯的拋物線型，無充填和地下水充填脫空模型的電磁波相位相反，地下水充填脫空模型的電磁波存在多次反射現(xiàn)象，這些特征為隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)脫空現(xiàn)象的識別、檢測數(shù)據(jù)的提取和處理、圈定脫空范圍提供了依據(jù)。