公路隧道質(zhì)量缺陷及雷達檢測技術(shù)
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摘要：隧道二次襯砌在施工過程中常出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。利用地質(zhì)雷達技術(shù)對隧道二次襯砌進行無損檢測，在大量的檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷進行分類，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；為隧道二次襯砌地質(zhì)雷達無損檢測發(fā)現(xiàn)缺陷及隧道襯砌施工質(zhì)量提升提供指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：公路隧道；襯砌病害；地質(zhì)雷達技術(shù)；電磁波
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、防水板卷入襯砌等。導(dǎo)致了隧道運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行質(zhì)量檢測并消除質(zhì)量缺陷對隧道安全運營尤其重要?，F(xiàn)階段以地質(zhì)雷達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無損檢測辨識精度[3]；崔廣炎等利用地質(zhì)雷達無損檢測技術(shù)對隧道襯砌典型病害進行辨識方法研究[4]。本文在基于大量的檢測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工程實例，對隧道二次襯砌質(zhì)量缺陷進行分類，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)雷達原理
地質(zhì)雷達系統(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接收天線的直達波并作為系統(tǒng)時間的零點。通過對反射波信號進行一系列的后處理（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)的雷達波速度即為反射目標(biāo)深度。再根據(jù)反射波的強度、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)雷達探測原理和地質(zhì)雷達動態(tài)探測示意圖。
2地質(zhì)雷達檢測適用性分析
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，可以計算得出天線距反射面的距離。
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、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。
3.1襯砌空洞
隧道空洞病害主要發(fā)生在初期支護與圍巖之間、二次襯砌與初期支護之間。初期支護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，進而誘發(fā)初期支護結(jié)構(gòu)開裂變形、坍塌關(guān)門等事故；初期支護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為初期支護與二襯間空洞及雷達波形圖，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）進入空氣（相對介電常數(shù)為1.0），電磁波發(fā)生較強正反射，反射波相位不變，與子波相位一致。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.對欠挖情況未進行處理，導(dǎo)致初期支護結(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；雷達波形特征表現(xiàn)為：初期支護鋼拱架表現(xiàn)為月牙形反射，無限靠近首波界面。防治建議：a.開挖時控制好圍巖超欠挖，對欠挖部分進行處理后方可進行后續(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.確保初期支護鋼架安裝定位準(zhǔn)確等。3.3襯砌不密實襯砌不密實產(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)則的點狀強反射特征，如圖5所示。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)雷達可識別（見圖6）；主要有兩個產(chǎn)生原因：a.防水板存在破損未進行修補，澆筑混凝土流入防水板后；b.防水板松弛度過大。雷達波形特征一般表現(xiàn)為：首波與初期支護反射界面之間多了一條反射界面，該反射界面由初期支護部位延伸出來；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行檢查，確保防水板完好。
4結(jié)論
4.1地質(zhì)雷達技術(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)量缺陷進行檢測、分類，為質(zhì)量缺陷的處理提供針對性較強的依據(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營安全，加強建設(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)。
參考文獻
[1]康富中,齊法琳,賀少輝,江波.地質(zhì)雷達在昆侖山隧道病害檢測中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(S2):3641-3646.
[2]雷堅強,丁彰芳.公路隧道襯砌厚度及密實性缺陷評定技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017,54(04):33-40-55.
[3]田海洋.基于圖像特征的隧道襯砌雷達無損檢測辨識精度提升方法[D].北京:北京交通大學(xué),2020.
[4]崔廣炎.隧道襯砌典型病害無損檢測辨識方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2019.
作者:賈金曉 張逸 趙益鑫 單位:招商局重慶公路工程檢測中心有限公司
