隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法

周 暉

（衢州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江衢州 324000）

0 引言

當(dāng)前，隧道工程主要采用復(fù)合式襯砌，包括兩個(gè)部分，即初期支護(hù)和混凝土襯砌。其中，初期支護(hù)的作用是確保施工期間的圍巖穩(wěn)定性，混凝土襯砌的作用是保證施工期間的安全性，并承擔(dān)后期圍巖的壓力。一般情況下，混凝土襯砌應(yīng)在滿足構(gòu)造要求的前提下，根據(jù)圍巖的級(jí)別進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如，Ⅳ類以上圍巖，混凝土襯砌設(shè)計(jì)依據(jù)是安全儲(chǔ)備；Ⅲ類以下圍巖，混凝土襯砌設(shè)計(jì)依據(jù)是承載結(jié)構(gòu)。對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)，混凝土襯砌是承載結(jié)構(gòu)和防水結(jié)構(gòu)的重要保證，施工質(zhì)量直接決定隧道工程的穩(wěn)定性和安全性，影響隧道工程的正常使用功能。調(diào)查研究顯示，隧道混凝土襯砌質(zhì)量問(wèn)題包括塌方、滲水、漏水及開裂等，因此，采用合適的方法對(duì)隧道混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是十分必要的。隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法有鉆孔法、沖擊回波法、激光斷面儀檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法及探地雷達(dá)法[1]，本文以實(shí)際工程為例，重點(diǎn)介紹探地雷達(dá)法在隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 探地雷達(dá)法

1.1 工作原理

探地雷達(dá)法屬于無(wú)損傷檢測(cè)方法，借助高頻脈沖電磁波，探測(cè)和分析相關(guān)介質(zhì)的分布狀態(tài)，以評(píng)價(jià)隧道混凝土襯砌質(zhì)量。將天線作為媒介，發(fā)射機(jī)發(fā)射的高頻寬帶電磁波進(jìn)入到混凝土中，經(jīng)過(guò)反射之后，反射信號(hào)由接收機(jī)接收。高頻寬帶電磁波的傳播過(guò)程中，由于介質(zhì)的影響，比如介質(zhì)幾何形態(tài)的變化、截至電磁性的變化等，會(huì)形成相應(yīng)的波形變化、能量變化以及相位變化，然后，采用計(jì)算機(jī)分析方法，研究和處理反射信號(hào)波形、能量和運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而判斷隧道混凝土襯砌的結(jié)構(gòu)，探討隧道混凝土襯砌的質(zhì)量[1]。

1.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)時(shí)，緊貼混凝土襯砌的表面設(shè)置接收天線和發(fā)射天線，高頻寬帶電磁波經(jīng)由發(fā)射天線，進(jìn)入混凝土襯砌，當(dāng)電磁波的傳播路徑受阻時(shí)，比如遇到巖石的斷裂面、巖石與混凝土的分界面、空氣與混凝土的分界面、混凝土的空隙、鋼拱架、鋼筋等，電磁波產(chǎn)生反射，再經(jīng)由接收天線，反射信號(hào)被接收機(jī)接收。根據(jù)電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間，可以計(jì)算出電磁波的單向路程長(zhǎng)度[3]，公式如下：

式中：h 是為電磁波的單向路程長(zhǎng)度，m；v 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；Δt 為電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間，ns。

對(duì)于探地雷達(dá)工作頻段來(lái)說(shuō)，可將地下介質(zhì)看做是準(zhǔn)電介質(zhì)，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算公式如下：

式中：v 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；c為電磁波在真空中的傳播速度，0.3 m/ns；x 為相對(duì)介電常數(shù)，由介質(zhì)的屬性決定，如表1所列[4]。

表1 不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)及傳播速度一覽表

1.3 檢測(cè)成果

（1）混凝土襯砌的厚度:研究表明，隧道圍巖與混凝土襯砌的介電常數(shù)相差很大，因此，在隧道圍巖和混凝土襯砌的分界面，電磁波會(huì)產(chǎn)生明顯的反射現(xiàn)象，按照上述公式，能夠得出混凝土襯砌的厚度[5]。

（2）混凝土襯砌的背部空洞:隧道圍巖和空氣的介電常數(shù)差別明顯，若混凝土襯砌的背部存在空洞問(wèn)題，非常容易反映在探地雷達(dá)效果圖上。

2 隧道混凝土襯砌檢測(cè)應(yīng)用分析

2.1 工程概況

杭金衢高速公路位于浙江省的中西部地區(qū)，是連接浙江省主要城市的交通紐帶，公路全長(zhǎng) 289 km，竣工于 2003年底。本文選擇新嶺隧道作為研究對(duì)象，包括兩個(gè)雙車道分離式隧道，隧道長(zhǎng)度約為 1 423 m，隧道的最大埋深約為 156 m。Ⅱ類圍巖地段，混凝土襯砌的設(shè)計(jì)厚度為 45 cm，采用鋼筋混凝土；Ⅲ類圍巖地段，混凝土襯砌的設(shè)計(jì)厚度為 40 cm，采用素混凝土；Ⅳ類圍巖地段，混凝土襯砌的設(shè)計(jì)厚度為 30 cm，采用素混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為 25 MPa。

2.2 檢測(cè)準(zhǔn)備

探地雷達(dá)系統(tǒng)采用美國(guó) GSSI 公司 SIR-2 型，發(fā)射天線和接收天線的頻率為 900 Hz，如圖1所示，在拱頂及距拱頂中心線平距為 2 m 的兩邊位置布設(shè)測(cè)線，沿混凝土襯砌表面，采用連續(xù)掃描的方式，通過(guò)車載天線進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 混凝土襯砌檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置圖

2.3 檢測(cè)結(jié)果及驗(yàn)證

探地雷達(dá)剖面圖如圖2、圖3所示，分析和處理探地雷達(dá)剖面圖，對(duì)于存在空洞的區(qū)域，進(jìn)行鉆孔檢測(cè)，并比較探地雷達(dá)的檢測(cè)成果及鉆孔檢測(cè)成果，典型地段的測(cè)試結(jié)果如下。

圖2 K207+100 到 K207+210 雷達(dá)檢測(cè)成果圖

圖3 K207+210 到 K207+310 雷達(dá)檢測(cè)成果圖

（1）K207+100～K207+145，Ⅰ類圍巖地段，存在多個(gè)小空洞，密實(shí)程度不滿足要求，混凝土的厚度在 20～40 cm，空洞的高度在 10～25 cm，其中，部分地段的空洞較大，最大可以達(dá)到 5 m，如圖4所示。鉆孔檢測(cè)的混凝土厚度為 42 cm，空洞的高度為24 cm。

圖4 混凝土襯砌不密實(shí)現(xiàn)象（1）圖示

（2）K207+150～K207+185，Ⅰ類圍巖地段，混凝土厚度在 15～25 cm，空洞高度在 20～25 cm。鉆孔檢測(cè)的混凝土厚度為 24 cm，空洞高度為 32 cm。

（3）K207+195～K207+240，Ⅰ類圍巖地段，全段不密實(shí)，存在連續(xù)小空洞，每個(gè)空洞的范圍大概為1 m，混凝土的厚度在 10～25 cm，其中，K207+220處空洞最大，可以達(dá)到 8 m 左右，空洞的高度在40 cm 左右，如圖5所示。鉆孔檢測(cè)的混凝土厚度為 25 cm，空洞的高速為 39 cm。

圖5 混凝土襯砌不密實(shí)現(xiàn)象（2）圖示

（4）K207+255，Ⅱ類圍巖地段，混凝土厚度在15～30 cm，空洞高度在 15～45 cm，空洞范圍在5～6 m 之間。鉆孔檢測(cè)的混凝土厚度為 17 cm，空洞高度為 50 cm。

（5）K207+300，Ⅲ類圍巖地段，混凝土厚度在5～20 cm，空洞高度在 20～60 cm，空洞范圍在12 m 左右。鉆孔檢測(cè)的混凝土厚度為 8 cm，空洞高度為 65 cm。

比較探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果和鉆孔檢測(cè)結(jié)果，兩種方法的厚度檢測(cè)誤差不超過(guò) 5%，高度檢測(cè)誤差不超過(guò) 6%，但是，對(duì)于配筋區(qū)域來(lái)說(shuō)，混凝土襯砌的檢測(cè)誤差稍大，當(dāng)空洞高度不超過(guò) 20 cm 時(shí)，需要相應(yīng)地提高檢測(cè)精度?？傊?，在隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)中，探地雷達(dá)法可以提供比較準(zhǔn)確的檢測(cè)成果，滿足實(shí)際混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)的需求。

3 隧道混凝土襯砌質(zhì)量問(wèn)題處理方案

根據(jù)實(shí)際混凝土襯砌的質(zhì)量問(wèn)題，以混凝土襯砌厚度不超過(guò) 5 cm 為原則，可以采用如下處理方案[6]。

第一，拱頂混凝土襯砌厚度大于設(shè)計(jì)厚度的70%，可以使用加氣小石子混凝土填筑密實(shí)；拱頂混凝土襯砌厚度小于設(shè)計(jì)厚度的 70%，Ⅱ類圍巖地段，由于采用鋼筋混凝土，可以使用同標(biāo)號(hào)的混凝土進(jìn)行填筑，Ⅲ類圍巖地段和Ⅳ類圍巖地段，需要將鑿除原有的混凝土，再進(jìn)行重新澆筑作業(yè)。

第二，邊拱混凝土承受的荷載較大，如果混凝土襯砌厚度小于設(shè)計(jì)厚度至少 5 cm 時(shí)，就必須將原有的混凝土鑿除，再使用全新的鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究探地雷達(dá)法在隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際工程，分析和驗(yàn)證探地雷達(dá)的檢測(cè)成果，研究表明，探地雷達(dá)法能夠滿足隧道混凝土質(zhì)量檢測(cè)的要求。

[1] 鐘世航.朔黃線中段 45 座隧道襯砌的質(zhì)量檢測(cè)[A].隧道和地下工程第 10 屆科技動(dòng)態(tài)報(bào)告文集[C].成都:西南交通大學(xué)出版社,2000.

[2] JTJ071-98,公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 周立功,嚴(yán)炎興,張惠生.探地雷達(dá)技術(shù)在隧道病害檢測(cè)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，1998,(3):15-16.

[4] 鄧中俊,姚成林,賈永梅,等.探地雷達(dá)在水工隧洞質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),2008,39(10):111-112.

[5] 陳建勛.隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測(cè)方法[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,22(3):51-54.

[6] 馬翔.探地雷達(dá)在水庫(kù)壩基古河槽勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察,2001,(1):63-66.