中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
近年來，隨著我國快速客運交通以及市政工程建設的迅速發(fā)展，越來越多的鐵路、公路隧道開始涌現(xiàn)，伴隨而來的隧道二次襯砌質(zhì)量問題層出不窮?？茖W、有效地探查二次襯砌質(zhì)量問題，經(jīng)濟、合理地預防和處治二次襯砌質(zhì)量缺陷，能極大地降低隧道病害的發(fā)生，保證隧道施工及運營期間的安全。地質(zhì)雷達以其特有的連續(xù)、無損、高效、便攜、高精度等特點，在隧道襯砌質(zhì)量檢測中廣泛應用。
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地質(zhì)雷達工作基本原理
地質(zhì)雷達作為一種淺層工程物探方法的新技術，主要由主機、天線、輸出設備、測距系統(tǒng)及配套解譯軟件等部分組成。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，地質(zhì)雷達發(fā)射天線T以寬頻帶（106Hz~109Hz）短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當其遇到不均勻體(電性變化界面)時產(chǎn)生反射回波被另一天線R接收，其反射系數(shù)由介質(zhì)兩側(cè)的相對介電常數(shù)決定，通過對雷達主機所接收的反射信號進行預處理、對圖像文件進行分析比對和解譯，達到識別隱蔽目標物、建立地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型的目的。
地質(zhì)雷達在介質(zhì)中傳播見圖1.電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度v是已知的，對于特定的天線系統(tǒng)，收發(fā)距x是固定的，因此根據(jù)地質(zhì)雷達記錄上的反射波與入射波的時間差t，即可根據(jù)下式算出異常目標物的埋藏深度h：
收發(fā)距x一般極小，因此實際工程應用中，埋藏深度經(jīng)常用h=vt/2近似得到。
雷達波反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為：
式中，ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。
反射信號的強度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號越強。雷達波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導電率越高，穿透深度越??；中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。
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地質(zhì)雷達在隧道二次襯砌檢測中的應用
2.1 工程概況
××隧道位于福建省福州市境內(nèi)，起始里程DK76+944，終止里程為DK78+805，全長1861m。隧道為雙線鐵路隧道，設計時速200km/h，隧道內(nèi)線間距為4.4～4.6m，采用有砟軌道碎石道床，軌道結(jié)構(gòu)高度高766mm。隧道采用馬蹄形斷面，全包防水，采用復合式襯砌形式。
2.2 現(xiàn)場檢測
現(xiàn)場測試采用勞雷SIR-4000地質(zhì)雷達及配套的屏蔽天線進行。檢測時，天線與隧道襯砌表面密貼，沿測線均勻滑動，滑動時天線不可停頓或脫開。
1）天線選型
針對本次檢測的具體情況，從分辨率、穿透深度和穩(wěn)定性三個方面綜合考量，選擇了900MHz的屏蔽天線。
2）記錄參數(shù)的確定
在選定測量天線后，進行了記錄參數(shù)選取試驗。根據(jù)探測深度及目標物尺寸等，設置時窗深度為15ns，采樣點數(shù)為512，掃描速度為100掃描/秒，選取時間測量模式。
3）測線布置
根據(jù)測試要求，雷達測線沿隧道縱向布置，共布置5條連續(xù)測線，分別為：拱頂、左右拱腰、左右邊墻。具體測線位置見圖2。
4）檢測流程
?、贋楸ＷC點位的準確，在檢測工作開展前，提前在隧道的邊墻上每10m做好標記，每50m設置里程樁號標識，安排清理隧道內(nèi)的雜物，準備好襯砌臺車等工作臺架。
?、诓ㄋ贅硕?。電磁波在介質(zhì)中傳播的速度主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，材料不同其參數(shù)也不同，選擇適當?shù)慕殡姵?shù)對于獲取目標體準確的深度信息非常重要，本次二襯質(zhì)量檢測選取洞口電纜槽厚度可量測部位進行波速標定，確定電磁波波速約為0.12m/ns，介電常數(shù)約為6.26。
?、鬯淼?STRONG>檢測工作開始后，檢測工程師負責設備操作及記錄（測線位置、里程樁號、標記間隔、干擾與異常），并負責現(xiàn)場協(xié)調(diào)，并安排專人負責天線數(shù)據(jù)采集及相關輔助工作(照明、車輛調(diào)度等)。
2.3 檢測數(shù)據(jù)處理與分析
1）數(shù)據(jù)分析流程及結(jié)果
采集的連續(xù)雷達掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)文件預處理后，采用配套軟件Radan7進行分析解譯，常見的處理流程包括：確定時間零點→背景去除→帶通濾波→增益→反褶積→偏移歸位→2D交互式解釋等。
隧道襯砌質(zhì)量缺陷往往伴隨著區(qū)域介質(zhì)的變化，如空洞、脫空、不密實、裂縫等混凝土介質(zhì)中出現(xiàn)空氣介質(zhì)層，而滲漏水則會造成混凝土襯砌中產(chǎn)生含水層，電磁波通過這些介質(zhì)躍變層時會產(chǎn)生相應的反射異常，電磁波的振幅與極性、頻譜特征、同相軸形態(tài)特征會出現(xiàn)明顯變化，這些變化最終會在電磁波連續(xù)測線組成的灰度圖上反映出來。通過對檢測數(shù)據(jù)進行分析，本項目共計發(fā)現(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量問題397處，詳見表1.
2）二次襯砌質(zhì)量缺陷典型圖像
常見的二次襯砌質(zhì)量缺陷包括空洞、脫空、不密實、襯砌厚度不足等。
?、倏斩?、脫空判釋要點：
空洞在地質(zhì)雷達圖像上顯示為孤立體信號，襯砌界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大。
脫空在地質(zhì)雷達圖像上顯示為出現(xiàn)多次反射，電磁波同相軸呈弧形，相位與相鄰道發(fā)生錯斷，振幅明顯增強。典型的二次襯砌脫空圖像見圖3.
?、诓幻軐嵟嗅屢c
不密實在地質(zhì)雷達圖像上顯示為凌亂、不連續(xù)的強反射能量團塊狀異常，電磁波波形雜亂，同相軸錯斷[1]。典型的二次襯砌不密實圖像見圖4.
?、垡r砌厚度不足判釋要點
襯砌厚度不足判斷的前提是準確判斷二次襯砌與初支噴射混凝土的交界面，進而得到二次襯砌的準確厚度。由于噴射混凝土與二次襯砌混凝土的電性參數(shù)相差較小，如它們之間接觸較好，則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。因此交界面的判斷則需要以二次襯砌混凝土中的第二排鋼筋網(wǎng)的下表面或者噴射混凝土中的初支鋼架、格柵拱架的上表面等作為參照物，如二次襯砌混凝土中同時出現(xiàn)脫空，亦可通過空氣層的上表面來判斷。鋼架、格柵拱架在地質(zhì)雷達圖像上顯示為分散的或成對出現(xiàn)的月牙形強反射信號，鋼筋為連續(xù)的小尖波強反射信號。典型的隧道二次襯砌厚度不足圖像見圖5.
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二次襯砌質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因分析
3.1 二次襯砌脫空產(chǎn)生的常見原因
1）初期支護噴射混凝土施工質(zhì)量較差
初支光爆效果差，開挖面不平順，超挖嚴重，初期噴射混凝土作業(yè)時，噴射厚度不足或超挖選用回填材料不當，不能完全填充圍巖表面的坑洞，初支鋼架或格柵拱架背后未回填密實，二次襯砌難以與初期支護密貼，造成脫空。
2）防水板鋪設質(zhì)量欠佳
如隧道初期支護表面不平順，防水板鋪掛過緊，防水板未與初支面密貼，會導致二次襯砌混凝土澆筑時，混凝土因防水板阻隔無法填充初期支護表面凹槽或坑洞，形成二襯背后脫空[2]。
3）二次襯砌混凝土澆筑工藝控制不當
二次襯砌混凝土拌制或配合比不當，會導致混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生收縮。襯砌臺車支撐不牢固或剛度不足，脫模時間過早，二襯混凝土下沉過大。注漿工藝不當：泵送混凝土壓力不足、泵送角度不合理、混凝土流動性不夠、澆筑間隔時間過長，拆管過早、封口不當?shù)龋紩е露我r砌背后脫空或空洞[3]。
3.2 二次襯砌厚度不足的常見原因
二次襯砌厚度不足的常見原因包含：
?、贉y量放線精度低或爆破效果不理想，圍巖侵限造成二次襯砌厚度不足；
?、陬A留變形量不足，圍巖變形量過大；
?、鄢踔娚浠炷辆植窟^厚，二次襯砌施工時未進行有效處理；
?、芏我r砌背后脫空伴隨的二次襯砌厚度不足；
?、萏幚硭竭^程中，對個別突出的巖石或初支拱架未進行處理，造成二襯厚度不足。
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二次襯砌質(zhì)量問題專項處治
4.1 襯砌厚度不足專項整治方案
襯砌厚度不足整治方案設計時，首先必須對厚度不足成因進行區(qū)分：①圍巖欠挖導致襯砌厚度不足；②脫空導致厚度不足。
根據(jù)二次襯砌厚度值，襯砌厚度不足整治遵循如下原則：①二次襯砌厚度大于設計厚度的90%，襯砌表面無裂損情況，采取長期觀察、監(jiān)測處理。
?、诙我r砌厚度為設計厚度的80%～90%，且缺陷段測線長度小于2m，襯砌表面無裂損情況，采取長期觀察、監(jiān)測處理。當拱部140°范圍內(nèi)有三條及以上（同一斷面）測線顯示襯砌厚度為設計厚度的80%～90%時，采取拱部140°范圍鑿除二次襯砌舊混凝土，植筋，重筑設計厚度的混凝土處理。
?、鄱我r砌厚度為設計厚度的80%～90%，且缺陷段測線長度大于2m，如果拱部140°范圍二次襯砌存在缺陷，采取拱部140°范圍鑿除舊混凝土，植筋，重筑設計厚度的混凝土處理；如果邊墻二次襯砌存在缺陷，采取缺陷范圍鑿除舊混凝土，植筋，重筑設計厚度的混凝土。
?、芏我r砌厚度小于設計厚度的80%，如果拱部140°范圍二次襯砌存在缺陷，采取拱部140°范圍鑿除舊混凝土，植筋，重筑設計厚度的混凝土處理；如果邊墻二次襯砌存在缺陷，采取缺陷范圍鑿除舊混凝土，植筋，重筑設計厚度的混凝土。
?、莓旇彸r砌邊緣距離環(huán)向施工縫小于1m時，需將鑿除襯砌邊緣與環(huán)向施工縫之間不足1m的襯砌一并鑿除處理；拱部襯砌鑿除寬度不小于50cm。
素混凝土拱部140°拆換處理流程如下：脫空位置鉆孔檢查→確定欠厚拆換范圍→設置拱墻鋼架臨時支撐→拆除欠厚范圍拱部140°襯砌混凝土→施工縫處理→檢查驗收→鋪設防水材料→檢查驗收→植入鋼筋→檢查驗收→模筑二襯混凝土→回填灌漿。拱部鑿除示意圖詳見圖6，縱向素混凝土襯砌厚度不足整治示意圖見圖7，素混凝土植入鋼筋示意圖見圖8。
4.2 二次襯砌背后脫空、不密實專項整治方案
二次襯砌背后脫空整治方案設計時，首先應判斷：
?、倜摽粘霈F(xiàn)二襯與防水板之間，還是出現(xiàn)在初支與防水板之間；
②如脫空同時伴隨著襯砌厚度不足設計厚度的1/2，應視作襯砌厚度不足，進行處理。
二次襯砌背后脫空采用注漿的方式進行處理，處理要點如下：
?、賹γ摽蘸筒幻軐嵎秶M行物探和鉆孔驗證，鉆孔驗證數(shù)據(jù)為主，確定準確位置及范圍。
?、谝r砌鉆孔、安裝空口管。確定脫空和不密實范圍后，對相應部位進行鉆孔，注漿孔采用φ45～50mm鉆孔，交錯布置，布置間距為1.0m×1.0m，根據(jù)空洞位置判斷實際鉆孔深度是否刺破防水板；注漿時孔口設置φ32帶絲扣的孔口管，并用植筋膠錨固在注漿孔內(nèi)。孔口和孔口管安裝示意圖詳見圖9。
③注漿。
注漿前應進行吸水試驗，確定注漿參數(shù)。漿液配置采用M30微膨脹水泥砂漿，水灰比0.6:1~1:1，灰砂比1:1~1:2.5.襯砌背后注漿時隧道縱向應由下坡至上坡方向依次進行，采用逐漸加壓式注漿，至最大壓力值0.2MPa，注漿速度20~40L/min。當空洞體積≤1.5m3時填充水泥砂漿，＞1.5m3時填充C25細石砼。注漿過程中，相鄰注漿孔應設置孔口塞，以免跑漿。
?、茏{孔的處理。
注漿完成后，先鑿出10cm×10cm×8cm（長×寬×深）楔形孔（孔底長度尺寸為13cm×13cm），將孔清洗干凈后采用膨脹水泥砂漿封堵注漿孔，膠凝材料（水泥、膨脹劑和摻和料的總量）最少用量為350kg/m，膨脹劑摻量不宜大于15%，不宜小于10%，水膠比不得大于0.5。注漿孔封堵示意圖詳見圖10。
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結(jié)束語
隧道二次襯砌施工過程中常常出現(xiàn)空洞、脫空、厚度不足等質(zhì)量問題，地質(zhì)雷達因其特有的無損、高效的特點在二襯缺陷檢測中廣泛引用。只有從初支源頭進行控制，加強二次襯砌澆筑質(zhì)量，才能很好預防二襯缺陷的產(chǎn)生。注漿回填及鑿除植筋是處理二襯缺陷的常見方法，作業(yè)時必須加強過程控制，才能根治二襯質(zhì)量問題，防止隧道病害的產(chǎn)生。
