公路隧道質量缺陷及雷達檢測技術
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摘要：隧道二次襯砌在施工過程中常出現(xiàn)質量缺陷。利用地質雷達技術對隧道二次襯砌進行無損檢測，在大量的檢測數(shù)據(jù)基礎上，對隧道二次襯砌質量缺陷進行分類，提出了各類質量缺陷的形成原因及防治建議，并總結了各類質量缺陷的電磁波反射特征；為隧道二次襯砌地質雷達無損檢測發(fā)現(xiàn)缺陷及隧道襯砌施工質量提升提供指導意義。
在公路隧道建設初期，受限于施工工藝落后、施工管理水平低、質量檢測技術較為落后等方面因素，導致隧道在建設過程中、現(xiàn)階段運營過程中出現(xiàn)一些質質量缺陷如：襯砌背后空洞、欠厚、不密實、防水板卷入襯砌等。導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量檢測并消除質量缺陷對隧道安全運營尤其重要。現(xiàn)階段以地質雷達法為代表的無損檢測技術在隧道質量檢測中得到了廣泛應用[1-2]。田海洋等人采用圖像特征分析技術，提高了隧道襯砌雷達無損檢測辨識精度[3]；崔廣炎等利用地質雷達無損檢測技術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，對隧道二次襯砌質量缺陷進行分類，提出了各類質量缺陷的形成原因及防治建議，并總結了各類質量缺陷的電磁波反射特征。
1地質雷達原理
地質雷達系統(tǒng)有硬件、數(shù)據(jù)采集軟件及后處理軟件構成。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遇到有電性（介電常數(shù)和電導率）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，乘以相應介質的雷達波速度即為反射目標深度。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的性質（目標識別），如襯砌厚度、圍巖空洞及裂縫等。圖1、圖2分別為地質雷達探測原理和地質雷達動態(tài)探測示意圖。
2地質雷達檢測適用性分析
在隧道襯砌結構中，混凝土、鋼筋、鋼拱架、空隙、防水卷材等物質的介電常數(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襯砌質量缺陷形式及電磁波特征
公路隧道襯砌質量缺陷主要可分為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為襯砌混凝土質量缺陷及相應的病害特征。
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（特別是圍巖地質情況較差）二次脫落，進而誘發(fā)初期支護結構開裂變形、坍塌關門等事故；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，空洞結構一般為混凝土（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，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.確保防水卷材鋪設松緊適當。
3.2襯砌欠厚
二次襯砌欠厚是施工中常見的質量問題，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，導致厚度不足；b.對欠挖情況未進行處理，導致初期支護結構侵入二次襯砌建筑限界；c.由于測量不準確，隧道開挖軸線出現(xiàn)偏位，導致一側襯砌結構厚度不足；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重欠厚，導致結構受力不均，局部應力集中，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.確保防水卷材鋪設松緊適當；d.確保初期支護鋼架安裝定位準確等。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；b.澆筑過程中，二次襯砌模板臺車密封差，導致水泥漿液流失；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；防水卷材鋪設松緊適當；二次襯砌混凝土澆筑前進行檢查，確保防水板完好。
4結論
4.1地質雷達技術作為無損檢測的重要手段，電磁波在二次襯砌各種質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量缺陷中的反射特征，可以對隧道二次襯砌質量缺陷進行檢測、分類，為質量缺陷的處理提供針對性較強的依據(jù)。
4.2綜合對襯砌質量缺陷成因分析，可以發(fā)現(xiàn)隧道襯砌質量缺陷主要形成于建設過程中。因此為了提升工程質量，確保隧道使用壽命及運營安全，加強建設過程中質量管控是必由之路。
4.3為了提高隧道襯砌質量，減少缺陷，應嚴格施工管理，推動施工工藝的標準化建設。
參考文獻
[1]康富中,齊法琳,賀少輝,江波.地質雷達在昆侖山隧道病害檢測中的應用[J].巖石力學與工程學報,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的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術，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,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,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
