盛海洋,王 超,黃繼輝,徐行軍

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州 350007）

0 引言

公路隧洞由于各種因素在運(yùn)營很久后，會(huì)不同程度地產(chǎn)生表面裂縫、滲漏水等病害，這類病害多是由于隧道潛在的施工技術(shù)問題所造成的，如模筑襯砌厚度不夠、模筑襯砌后出現(xiàn)空隙或回填不嚴(yán)密等。而以往的施工質(zhì)量檢測通常采用鉆孔取芯或開挖取樣等破壞性方法，這對防水條件十分嚴(yán)密的隧洞施工十分不利。由于隧洞屬于隱蔽性工程施工，所以必須用合理、快捷、無損的先進(jìn)檢測技術(shù)和儀器設(shè)備加以檢測。目前地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)具有使用成本低、操作方便、檢測精度高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，已成為公路隧道質(zhì)量和病害檢測的首選。

該文根據(jù)福建省某公路隧道存在的病害問題開展了無損檢測，對隧道的模筑襯砌結(jié)構(gòu)缺陷病害進(jìn)行了原因剖析，對地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果進(jìn)行解譯判識(shí)與總結(jié)分析，為國內(nèi)隧道模筑襯砌質(zhì)量檢驗(yàn)工作提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 檢測依據(jù)與原理及襯砌缺陷

1.1 檢測依據(jù)

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)為公路工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)和評定標(biāo)準(zhǔn)，第一卷為土建工程標(biāo)準(zhǔn)（JTG F80/1—2017）[1]；公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程（JTG H30—2015）[2]；福建省公路隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)規(guī)程[3]；混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50204—2015）[4]等主要技術(shù)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)文件、檢測合同，以及相關(guān)研究論文、文件材料等。

1.2 檢測原理

地質(zhì)雷達(dá)基本原理就是通過輻射天線向地面發(fā)出的高頻電磁波，當(dāng)電磁波在地面穿行時(shí)，一旦碰到兩種截然不同地層分界，就會(huì)產(chǎn)生不一樣的地球物理現(xiàn)象。電磁波在通過不同土壤或地面電性邊界時(shí)，部分電磁波在折射效應(yīng)下會(huì)不斷地向另一個(gè)邊界進(jìn)行傳播，而另一部分電磁波則會(huì)被邊界反射回到地表，而反射后回到地表上的電磁波也可以被地面天線所接收，并記錄在地質(zhì)雷達(dá)的主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。另外，電磁波的傳遞會(huì)經(jīng)過多次反射和折射，但唯有當(dāng)電磁波的能量全部被地層邊界所吸引，這種電磁波在邊界穿梭工作過程中發(fā)生的折射和反射現(xiàn)象才會(huì)徹底消失。一般來說，由于電磁波的傳播路徑、電場強(qiáng)度、波速，以及電性和折射電磁波的能力在不同地層中往往會(huì)表現(xiàn)出不同測量參數(shù)差異，電磁波在不同地層條件下穿越進(jìn)程中，回收的電磁波頻段有所不同，因此工作人員可以對發(fā)射和接收的電磁波進(jìn)行比較，并運(yùn)用時(shí)差原理來分析電磁波參數(shù)，這樣就能精確地判斷地表以下的地層情況。同時(shí)，工程技術(shù)人員可以將傳送回來的電磁波參數(shù)加以處理與運(yùn)算，并按照檢測數(shù)值繪成圖像，施工和檢測人員可結(jié)合現(xiàn)場地層情況與有關(guān)資料，來具體確定地層內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，對隧道內(nèi)混凝土襯砌質(zhì)量做出分析評估。

1.3 襯砌缺陷

在剖面圖上所顯示出來的各種測線信息可以表示各種的地下施工情況。用于隧道襯砌檢查一般分為以下幾個(gè)檢測信號(hào)：反射信息較弱且持續(xù)的為密實(shí)部位；反射信號(hào)中體現(xiàn)為強(qiáng)反射且雜亂的區(qū)域狀況為欠實(shí)情況；反射信號(hào)中體現(xiàn)為強(qiáng)反射且呈長條帶的三角狀況則為空洞或彎沉情況；反射信號(hào)中持續(xù)且有序的雙月牙形強(qiáng)反射狀況為鋼筋網(wǎng)，而單月牙反射狀況則為鋼筋拱架。

（1）脫空。脫空現(xiàn)象是指由模筑襯砌與圍巖或初支結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系不牢固時(shí)所造成的裂縫、空隙等，其造成的因素一般有隧洞施工時(shí)模筑襯砌墻后回填混凝土不嚴(yán)密時(shí)所形成的空隙。另外，在隧洞運(yùn)營中因?yàn)橐r砌老化等因素，使模筑襯砌層與初支及巷道圍巖之間出現(xiàn)剝離而生成空洞和縫隙。

脫空現(xiàn)象在雷達(dá)技術(shù)圖上所顯示的模筑襯砌界面反射信息很強(qiáng)，往往呈現(xiàn)帶狀長條型或三角狀劃分，且三振相強(qiáng)烈，但往往在其下方仍有較強(qiáng)的反射界面信息，因此二組信號(hào)位移時(shí)程相差很大。

（2）欠實(shí)。模筑襯砌欠實(shí)是指建筑襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土回填不嚴(yán)密所形成的較小的裂縫、小空隙等。其形成的因素主要有隧道開挖后施工接縫不嚴(yán)密、有裂縫等。另外，在隧洞施工過程中因水的浸蝕、地質(zhì)應(yīng)力影響和水泥老化等因素作用，會(huì)引起隧洞模筑襯砌斷裂、變形等。模筑襯砌欠實(shí)部位的雷達(dá)界面對反射信號(hào)呈強(qiáng)反射，且通常并不持續(xù)，表現(xiàn)出錯(cuò)斷和雜亂等現(xiàn)象。

2 襯砌缺陷形成機(jī)制分析

探討隧洞缺陷病害的形成原因以及不同缺陷在地質(zhì)雷達(dá)影像上的形態(tài)特征，對于對隧洞襯砌裂紋的鑒定以及針對隧洞缺陷病害防治有一定的實(shí)踐意義。

2.1 襯砌空洞

襯砌空洞廣泛出現(xiàn)在隧道的各個(gè)部位?？斩床坏珪?huì)引起襯砌的混凝土裂縫、損傷，甚至還會(huì)使圍巖變形增長進(jìn)而造成巷道圍巖的失穩(wěn)。根據(jù)空洞出現(xiàn)情況和原因的不同，大致上可以分成下列幾類。

（1）防水板和初支之間的空隙。這種空洞一般是由于隧道初期支護(hù)基面材料不均勻，又未及時(shí)用水泥補(bǔ)平或建筑防水板鋪掛得過緊密，造成二襯混凝土不能在建筑防水板和初支邊間的縫隙填充密實(shí)所產(chǎn)生的。此類空洞多出現(xiàn)于邊墻及拱頂。

（2）砌筑防水頂板和模筑襯砌間的空隙。在建筑施工襯砌混凝土?xí)r，宜從二端拱腳自下而上分層均勻地開始砌筑；混凝土澆筑至拱頂處時(shí)，利用運(yùn)輸泵壓克服混凝土的自重和運(yùn)泵阻力，不斷地頂升直至拱頂處灌入砂漿中?；炷磷陨硪簿哂幸欢ǔ潭壬系摹案煽s”現(xiàn)狀，受水泥流動(dòng)性影響，由“干縮”所產(chǎn)生的空隙多聚集在拱頂部位，拱腰次之。因此在澆筑過程中多會(huì)在拱頂預(yù)留相當(dāng)數(shù)量的注漿材料孔隙。

（3）混凝土內(nèi)部不密實(shí)。當(dāng)模具內(nèi)混凝土澆筑密實(shí)不完全時(shí)，在混凝土內(nèi)也會(huì)發(fā)生程度不一的不密實(shí)現(xiàn)象，在襯砌為鋼筋混凝土?xí)r，這種缺陷更容易出現(xiàn)。

2.2 襯砌厚度不足

襯砌厚度缺陷也是隧洞開挖過程的另一個(gè)工程通病，主要由隧洞欠開挖和襯砌混凝土之間產(chǎn)生空隙而造成。模筑襯砌厚度若不夠，則很容易造成襯砌表層出現(xiàn)裂紋，甚至導(dǎo)致水泥掉塊，從而降低了行車安全性。重則降低襯砌受力，影響結(jié)構(gòu)安全。

2.3 襯砌滲漏水

模筑襯砌的滲漏水多發(fā)生于裂隙和地下水發(fā)育區(qū)域，在隧洞開挖過程中也會(huì)出現(xiàn)。隧道內(nèi)滲漏水不但會(huì)造成模筑襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬構(gòu)件腐蝕，同時(shí)還會(huì)腐蝕模筑襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)混凝土，從而導(dǎo)致模筑襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，在嚴(yán)寒地方更容易產(chǎn)生建筑襯砌的凍脹裂損。而造成模筑襯砌內(nèi)滲漏水的因素，除去圍巖內(nèi)部節(jié)理裂縫發(fā)育、地下水豐富等地質(zhì)因素之外，施工過程中工藝、管理也是襯砌滲水的因素。襯砌滲漏水原因有：

（1）澆筑時(shí)振搗不實(shí)，在水壓力影響下混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

（2）由于初期支護(hù)基礎(chǔ)處理不當(dāng)以致防水板被錨桿頭等尖硬物刺破。

（3）防水工程模板及止水帶安裝不標(biāo)準(zhǔn)。（4）預(yù)埋排水體嚴(yán)重阻塞或循環(huán)不暢通。

當(dāng)隧道內(nèi)滲出水較嚴(yán)重時(shí)，襯砌式表面上會(huì)發(fā)生面狀滲出、滴漏或成線狀滲漏等，甚至于還會(huì)在薄弱拱頂部產(chǎn)生“水簾”滲水現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貙影l(fā)生襯砌滲漏水時(shí)，雷達(dá)剖面上通常產(chǎn)生水平的強(qiáng)反射信號(hào)，展布區(qū)域很大，且多次波強(qiáng)烈。

3 檢測內(nèi)容與測線布置

檢測前沿隧道軸線用噴漆每隔10 m標(biāo)好里程樁編號(hào)，以便在雷達(dá)天線使用時(shí)及時(shí)、正確地加以標(biāo)注。隧道的襯砌地質(zhì)雷達(dá)檢測，依據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，沿雙向行車道縱向布置了五條檢測線，即在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻處布置檢測線。

依據(jù)檢測內(nèi)容包括油坊隧道襯砌缺陷分布情況、襯砌密實(shí)性情況等，采用500 MHz天線、1 GHz天線進(jìn)行測量。

4 探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

地質(zhì)雷達(dá)要求目標(biāo)載體與周圍材料之間在介電常數(shù)要有明顯的差異。地質(zhì)雷達(dá)不同頻率的天線，其探測深度不同，頻率越低，檢測深度越大，但分辨率會(huì)下降；頻率越高，檢測深度越淺，而分辨率會(huì)增加。故在隧道襯砌檢測時(shí)，必須選用與檢測深度要求有關(guān)的天線，頻率范圍通常為400 MHz~1 GHz之間。

根據(jù)現(xiàn)場檢測精度與深度的要求，采用美產(chǎn)SURVEY地質(zhì)雷達(dá)，天線選用500 MHz與1 GHz的屏蔽天線進(jìn)行對比檢測。主要檢測參數(shù)數(shù)據(jù)有：

500 MHz天線的參數(shù)設(shè)置：采樣頻段：7 137 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)：426點(diǎn)，窗口時(shí)間：60 ns。觸發(fā)方法：采用測量輪，距離的觸發(fā)檢測方法，測量精度與深度均能達(dá)到襯砌厚度要求。表1為部分天線在巖體中的理論測量深度。

表1 部分天線在巖體中的理論探測深度

天線500 MHz，材料狀態(tài)與深度比例，材料狀態(tài)：干燥（1.00）。深度比例：深度3.1 m、時(shí)間51 ns。

天線500 MHz，觸發(fā)模式，軸編碼器軸間距2.5 mm，最大距離1.13 km。

1 GHz天線采集參數(shù)設(shè)置：采集頻段：10 350 MHz；采集點(diǎn)數(shù)：444點(diǎn)；窗口時(shí)間：42 ns。觸發(fā)方法：采用測量輪，按距離觸發(fā)。

5 雷達(dá)剖面圖像及分析

5.1 500 MHz天線隧道右邊墻雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道右邊墻雷達(dá)圖像分析見圖1。測線位置K0+704~705脫空，深度約0.3 m。測線位置K0+762~763不密實(shí)，深度約0.45 m。

圖1 K0+704-705脫空

5.2 500 MHz天線隧道右拱腰雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道右拱腰雷達(dá)圖像分析見圖2。圖2測線位置K0+549處小孔洞，深度0.45 m（鉆孔取樣處）。測線位置K0+666.4~670.6斷續(xù)不密實(shí)，深度0.3~0.45 m。

5.3 500 MHz天線隧道拱頂雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道拱頂雷達(dá)圖像分析見圖3。圖3的測線位置為K0+712~715.4，脫空時(shí)不密實(shí)，深度約0.35 m。測線位置在K0+719.4~721.4之間，不密實(shí)，深度0.35 m。

圖3 K0+712-715.4脫空不密實(shí)

5.4 500 MHz天線隧道左拱腰雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道左拱腰雷達(dá)圖像分析見圖4。圖4測線位置K0+558~567部分脫空不密實(shí)，深度約0.45~0.6 m。

圖4 K0+558-567部分脫空不密實(shí)

5.5 500 MHz天線隧道左邊墻雷達(dá)圖像

500 MHz天線隧道左邊墻雷達(dá)圖像分析見圖5。圖5 K0+648.4~649.2 不密實(shí)，深度0.4 m。測線位置K0+760.6~761.8 m，不密實(shí)，深度0.5 m。測線位置K0+782.5~783.5 m，不密實(shí)，深度0.5 m，附近K0+791鉆孔取樣處，邊墻有較多氣孔。測線位置K0+791.3 小空洞，深度0.3 m。

圖2 K0+549小孔洞

圖5 K0+648.4-649.2不密實(shí)

5.6 檢測結(jié)果分析

運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)對油坊嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)和模筑襯砌的背后缺陷進(jìn)行檢測和圖像解譯，發(fā)現(xiàn)部分地段隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)背后出現(xiàn)不密實(shí)、脫空、空洞等缺陷，與后期采用現(xiàn)場鉆孔取芯驗(yàn)證一致，并達(dá)到了地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)和精度要求。

6 結(jié)語

（1）地質(zhì)雷達(dá)科技成為一門無損的測量技術(shù)手段，具有成本低、操作方便、檢測精度高、對數(shù)據(jù)收集和處理集科學(xué)于一身、對目標(biāo)體和異常圖像清晰可見且容易辨認(rèn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于公路隧道檢測中。就隧洞測量過程來說，大多數(shù)技術(shù)人員都會(huì)首選地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)，利用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測設(shè)備，不但可以增強(qiáng)隧道施工測量的精確度和一致性，同時(shí)可以大大提高測量的速度。

（2）當(dāng)作為在隧道測量工程技術(shù)中使用最為普遍的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，運(yùn)用于隧道的施工質(zhì)量監(jiān)測中時(shí)，能在維持隧道結(jié)構(gòu)不變的前提下完成檢測工作。該文主要從地質(zhì)雷達(dá)基本原理出發(fā)，系統(tǒng)說明了在隧洞施工質(zhì)量檢測中地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)的運(yùn)用，對隧道襯砌病害缺陷的判識(shí)有一定的指導(dǎo)和幫助。

（3）運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測儀對福建某公路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測、數(shù)據(jù)分析和圖像解譯，取得了良好的檢測解譯效果。除部分地段的隧道表層出現(xiàn)裂紋外，通過檢測發(fā)現(xiàn)部分地段隧道襯砌背后出現(xiàn)了澆注混凝土不密實(shí)、脫空、空洞等缺陷，通過現(xiàn)場鉆孔取芯驗(yàn)證和對比，其無損檢測符合地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)和精度要求。