隧道襯砌質量地質雷達法檢測及應用實例分析

摘要：隨著鐵路工程的發展，地質雷達在隧道襯砌質量檢測中得到了廣泛的應用。作為一種高效、先進的無損檢測方法，地質雷達法能夠對隧道襯砌進行連續探測，獲得直觀的雷達圖像。文章從地質雷達基本原理入手，探討了施工過程中各種隧道襯砌缺陷的形成機制，分析了相應的地質雷達圖像特征，用以討論各類隧道襯砌缺陷的判識。

關鍵詞：地質雷達；襯砌缺陷；隧道襯砌質量；雷達檢測；鐵路工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U414 文章編號：1009-2374（2016）14-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.024

隧道工程的地質條件一般情況下較為復雜，其施工難度大、環境惡劣，對施工工藝和施工工序要求較為嚴格，一旦卡控不嚴就很容易導致隧道質量缺陷。鐵路建設單位為保證行車安全，越來越重視隧道的施工質量，由于地質雷達無損檢測技術，具有操作簡便、檢測效率高、檢測結果準確等優點，被廣泛地應用于鐵路隧道襯砌質量檢測中。本文首先介紹了地質雷達無損檢測的基本原理，然后結合隧道施工、檢測的實際情況給出了幾種常見的隧道襯砌缺陷類型，并從施工角度分析了襯砌缺陷的形成原因，同時針對每種缺陷類型給出了對應的典型的地質雷達檢測圖像，分析了缺陷圖像特征，為隧道襯砌質量檢測數據分析工作提供指導，最后給出了地質雷達應用于隧道襯砌檢測的實例。

1 地質雷達缺陷檢測的基本原理

1.1 地質雷達隧道檢測理論基礎

地質雷達檢測隧道襯砌質量是利用工程介質不同介質的電性差異來實現的。地質雷達系統將高頻電磁波向工程介質發射，當電磁波穿透工程介質時，由于不同的工程介質或者工程介質與缺陷介質存在著電性差異，電磁波將在電性不同的介質界面發生反射。地質雷達就是根據介質的反射波特性以及電磁學性質來揭示工程介質內部結構和缺陷的，地質雷達的工作原理如圖1所示：

1.2 電磁波在襯砌不同介質中的反射特性

電磁波在傳播過程中遵循波的反射和折射定律，一般雷達電磁波被認為是近垂直入射，對于非磁性介質而言（如混凝土等），反射系數R可簡化為：

式中，、為反射界面兩側介質的相對介電常數，由式（1）可知，相鄰介質的介電常數差異越大，則反射信號超強烈。

而對于金屬良導體（如鋼筋、鋼架等），反射系數R則簡化為另一種形式：

式中，為電磁波的角頻率；為金屬的電導率。從式（2）可以看出，由于金屬的電導率趨于，即當電磁波傳播至鋼筋、鋼架時，電磁波將發生全反射。

2 襯砌缺陷的形成機制及雷達圖像形態特征

分析隧道襯砌缺陷形成原因，研究不同缺陷在地質雷達圖像中的形態特征，對于隧道襯砌缺陷的辨識有很大的幫助，下面就四種常見的隧道缺陷進行分析：

2.1 各種襯砌空洞

襯砌空洞可能存在于隧道襯砌的任何部位，襯砌空洞不僅會造成襯砌混凝土開裂，嚴重者還會使襯砌產生掉塊，危及行車安全，更有甚者會使圍巖失穩。混凝土與空氣或混凝土與水的介電常數差異很大。通過上述可知，不管空洞內有沒有水的存在，電磁波在空洞處都會產生強烈的反射，這種強反射在雷達圖像上可以比較清晰地表現出來。按照空洞出現位置及成因的不同，主要可以分為以下兩種：

2.1.1 防水板與初支之間的空洞。此類空洞多是由于光面爆破效果不好或者防水板鋪設不當造成的。

2.1.2 防水板與襯砌之間的空洞。在澆筑二次襯砌時，如果混凝土灌注不滿，加上混凝土本身存在的“干縮”現象，往往會在襯砌中形成空洞，受混凝土流動性影響，空洞多集中于拱頂、拱腰部分。這類空洞一般表現出連續性，且縱向尺寸較大。為了解決這個問題，隧道在設計時往往會在拱頂設計一定數目的注漿孔，以留作后期二次注漿之用。

2.2 襯砌不密實

2.2.1 混凝土內部不密實。混凝土內部不密實可能是由于混凝土振搗不充分、漏漿或者混凝土離析等原因造成的，這時混凝土內部一般呈蜂窩狀或者松散狀。這類問題一般容易出現在鋼筋混凝土或隧道仰拱填充中。

2.2.2 仰拱虛渣、積水。按照施工要求，隧道充填混凝土層和仰拱應該分開澆筑，圖2為隧道仰拱上表面積碴、積水導致仰拱和仰拱填充層交界面不密實。

2.3 鋼架及二襯鋼筋數量

當隧道圍巖較差時，為了增加襯砌的支護抗力，一般在初期支護中加設鋼拱架，同時使用鋼筋混凝土作為二次襯砌來共同承擔圍巖壓力和變形。鋼拱架、二襯鋼筋數量不足將嚴重危及隧道結構安全，給線路運營期間行車安全埋下巨大隱患。鋼架及二襯鋼筋數量的判識較為簡單，二襯鋼筋在地質雷達圖像上呈現為連續的小雙曲線形強反射信號，

而鋼拱架則呈現為分散的月牙形強反射信號，如圖3所示：

2.4 襯砌厚度不足

襯砌厚度不足屬于隧道工程質量通病，多是由于隧道欠挖所致。襯砌厚度不足會導致襯砌表面發生裂縫，造成混凝土掉塊，影響行車安全。

3 工程實例

3.1 地質雷達檢測隧道二襯脫空的應用實例

圖4為西南某隧道D1K191+485-480拱頂雷達圖像，拱頂二襯設計厚度為45cm，從圖像可以看到，D2K81+483-486段，深度約20～50cm范圍內有反射界面，且界面下方形成多次反射，判斷為二襯脫空，脫空高度約20～25cm。使用沖擊鉆鉆孔驗證結果與雷達圖像判識結果一致，現場驗證照片如圖5所示。

3.2 地質雷達檢測二襯鋼筋數分布的應用實例

圖6為西南地區某隧道D8K147+845-850右邊墻雷達圖像，設計鋼筋間距為25cm，標示了邊墻縱向施工縫上1.5m處測線和邊墻縱向施工縫上2m處測線。圖7可以看出平均鋼筋間距約為50cm，而此測線上方0.5m處的測線即顯示鋼筋并不缺少，經分析推測形成圖7的原因可能是邊墻插筋與二襯鋼筋之間扎絲脫落，灌注混凝土時，造成二襯鋼筋向后擠密、上浮，無損檢測時，二襯鋼筋信號被長插筋信號遮擋，經過現場破檢檢查發現結果與推測一致。

3.3 地質雷達檢測隧底片石混凝土填充應用實例

隧底填充片石混凝土的情況時有發生，往往是由于施工隊伍安全意識淡薄、偷工減料所致。圖8為西南地區某隧道D1K191+495-500隧底雷達圖像，該段仰拱設計厚度為45cm，填充為91.5cm，從圖中可以看到D1K191+495-498段，深度40～100cm范圍內雷達反射信號較強，且雜亂無章，判斷異常信號為混凝土填充不密實。經鉆芯取樣發現此處混凝土夾雜大量片石，最大片石充填深度范圍為1m。

4 結語

地質雷達法檢測隧道襯砌質量具有無損、快速、經濟等特點，因此在檢測鐵路隧道施工質量方面具有非常重要的應用價值。它不僅可以準確地檢測出隧道襯砌的厚度，還可以反映出襯砌內部缺陷，由于其操作簡單，因此可以對施工中或者運營中鐵路隧道進行大面積檢測。通過大量隧道襯砌質量檢測資料的積累和分析，總結各種缺陷圖像的特征，對同類隧道質量檢測具有非常重要的指導意義。

參考文獻

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[2] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[3] 李晉平.地質雷達在鐵路隧道工程質檢測中的應用

[J].中國鐵道科學，2006，（3）.

作者簡介：黃潘（1983-），男，湖北人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司工程師，工學碩士，研究方向：巖土工程。

（責任編輯：蔣建華）