鐵路隧道隧底病害檢測模擬試驗研究

楊艷青 賀少輝 齊法琳 江波

（1.北京城建設計發展集團股份有限公司軌道交通院，北京100037；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京100081）

在軟弱圍巖隧道中仰拱、填充層的完整性對隧道整體結構穩定性具有重要作用。如果仰拱、填充層存在設計不當、施工質量較差、強度不足等問題，那么在列車長期往復荷載作用下仰拱和填充層極易破損，會出現落底、排水溝翻漿冒泥、隧底隆起等病害［1-3］。隨著使用時間的延長、運營速度的提高以及運量的增長，病害程度會日益惡化，嚴重影響列車運行速度和行車安全。因此，對運營隧道進行定期檢測，檢定隧底破損范圍，及早采取整治措施，遏制病害發展非常必要。目前，地質雷達無損檢測技術在既有鐵路隧道狀態檢測方面應用廣泛［4-7］，但是由于隧道仰拱或填充層位于道砟下一定深度，破損的仰拱或填充層與道砟層、圍巖的分界凹凸不平，使得地質雷達檢測結果復雜多變，難以判定。

本文以我國鐵路隧道中較為常見的混凝土整體襯砌隧底結構為研究對象，按完整、破損2種工況制作隧底模型，進行地質雷達檢測模擬試驗，對不同工況下地質雷達圖進行定性、定量分析，為實際工程檢測提供參考。

1 試驗方案及模型制作

1.1 試驗方案

以單線鐵路隧道混凝土整體襯砌軌面以下深2.0 m，寬5.5 m的橫截面為原型，制作長4.5 m的1∶1隧底模型［8］。模型中一半為完整結構，另一半以隧道中線為分界分別模擬僅填充層破損、仰拱和填充層均破損2種工況。然后，平行于隧道中線在軌道外側設置測線進行地質雷達檢測。將地質雷達圖的介質層分層情況與模型實際情況進行對比分析，確定隧底不同介質層的界面位置，解釋其特征，并定量分析各介質層的厚度及其檢測精度。

1.2 隧底模型制作

圖1 隧底模型設計圖（單位：m）

設計平面尺寸5.5 m×4.5 m，深2 m的圍巖模擬槽，采用厚240 mm磚墻做圍護結構，磚墻內壁及槽底敷設彈性體改性瀝青防水卷材。模擬槽內回填素填土、壓實，模擬隧底結構。按單線鐵路隧道混凝土整體襯砌隧底結構尺寸設計隧底模型（圖1），自下而上分別為素填土層（隧道中線處厚500 mm）、C20模筑素混凝土仰拱（厚300 mm）、C15混凝土填充層（隧道中線處厚456 mm）、卵礫石（粒徑10～30 mm）、道砟層（厚500 mm）。采用100 mm×100 mm方木模擬枕木（長1.2 m），間距625 mm；采用Ⅰ16工字鋼模擬軌道。破損的填充層、仰拱采用C20混凝土塊進行模擬。

為保證試驗模型與實際工程的一致性，委托具有隧道施工經驗的施工單位，按圖1進行制作，制作過程見圖2。

圖2 隧底模型制作過程

2 地質雷達檢測

2.1 儀器設備

地質雷達主機采用SIR-20型主機，天線采用400 MHz空氣耦合天線，數據處理用地質雷達自帶的RADAN后處理軟件。

2.2 地質雷達檢測

如圖1所示，在軌道外側距軌道80 cm的位置設置測線1和測線2，并以人工牽引的方式沿測線對隧底進行檢測（地質雷達天線距道砟表面30 cm）。地質雷達主機脈沖重復頻率75 kHz，采樣點數512，掃描速率75次/s。

3 檢測結果與分析

3.1 定性解釋與比對分析

經后處理軟件處理得到的隧底地質雷達圖見圖3。根據地質雷達電磁波在介質層中振幅指數衰減特性及各界面反射系數的正負變化引起的相位變化特點可確定各介質層間的界面位置［9-10］。

對比地質雷達圖中的介質層分布和試驗模型實際情況，可知：①道砟層、填充層、仰拱、圍巖各層之間的界面出現強反射同相軸，各介質層界面清晰可辨；②道砟層頂部出現間斷的強反射同相軸，底部無明顯強反射信號；③對于隧底完整段，填充層、仰拱無明顯異常和連續的強反射同相軸；④對于破損段，填充層、仰拱出現不規則強反射，同相軸間斷，雜亂無章，填充層和仰拱破損部分頂部較明顯。

圖3 地質雷達剖面圖

3.2 介質層厚度定量分析

圖4為測線1上測點ZC1—ZC16（測點編號見圖1）的地質雷達波形圖，通過相位分析可得各介質層的界面位置，作為介質層厚度定量分析的基礎。

圖4 測點地質雷達波形圖

對于介質層厚度的定量分析，相對介電常數εr的確定至關重要。相對介電常數的取值直接影響介質層厚度檢測的準確性。由于試驗模型各介質層厚度的量測較容易，因此采用反演法按式（1）確定εr。以多點反演計算值的算術平均值εˉr作為計算介質層厚度的平均相對介電常數值，以減少計算誤差。

式中：C為光速，取0.3 m/ns；Δt為電磁波在介質層中的雙程旅時，ns；D為介質層厚度實測值，m。

介質層厚度計算值D′的計算公式為

由式（1）和式（2）可計算得到各測點處道砟層、仰拱（完整段包括填充層）、破損填充層的厚度計算值，分別見表1—表3。其中v為電磁波濃度。

表1 道砟層厚度檢測結果

表2 仰拱(完整段含填充層)厚度檢測結果

表3 破損填充層厚度檢測結果

由表1可知：①隧底完整段（ZC1—ZC8）道砟層中電磁波波速v為0.141～0.180 m/ns，其平均波速vˉ為0.157 m/ns；εr為2.8～4.5，其平均相對介電常數εˉr為3.7。②隧 底 破 損 段（ZC9—ZC16）道 砟 層 中v為0.191～0.248 m/ns，其vˉ為0.223 m/ns；εr為1.5～2.5，εˉr為1.8。可見，電磁波在道砟層中波速達到空氣中波速（0.3 m/ns）的1/2～2/3，傳播速度較快，這與道砟層較松散、空隙大的實際情況相吻合。③隧底破損段道砟層εr普遍小于隧底完整段，說明破損段道砟層較松散。④道砟層厚度計算值與實測值差值在-6.8～8.5 cm，最大相對誤差15.8%。

由表2可知：①隧底完整段仰拱中v為0.121～0.137 m/ns，vˉ為0.157 m/ns；εr為4.8～6.1，εˉr為5.4。隧 底 破 損 段 仰 拱 中v為0.122～0.163 m/ns，vˉ為0.141 m/ns；εr為3.4～6.0，εˉr為4.6。可見，電磁波在隧底完整段和破碎段仰拱中的波速差別不大，εr接近。②仰拱厚度計算值與實測值差值在-4.4～4.4 cm，最大相對誤差14.3%。

由表3可知：①隧底破損填充層中v為0.079～0.105 m/ns，vˉ為0.085 m/ns；εr為8.2～14.3，εˉr為8.6。可見，電磁波在破損填充層中的波速比完整填充層小，εr比完整填充層大。②破損填充層厚度計算值與實測值差值在-0.6～7.0 cm，最大相對誤差29.4%，與完整填充層相比其誤差偏大。

綜合表1—表3的分析可知，對于介質層厚度的檢測結果，完整填充層的檢測精度較高，而松散的道砟層和破損填充層檢測精度較低。

同理，采用上述方法可得到測線2各測點處各介質層厚度實測值，電磁波在介質層中的雙程旅時、波速、相對介電常數值以及按各層相對介電常數值平均值計算出的介質層厚度計算值。測線2計算結果與測線1一致，在此不再贅述。

4 結論

1）在地質雷達圖上，隧底的不同介質層界面較清晰，可定性判斷出各界面，并且破損填充層有明顯的異常顯示。

2）通過反演計算介質層多個測點的相對介電常數，以平均相對介電常數為計算基礎，可較為準確地定量分析隧底道砟層、填充層、仰拱等介質層的厚度。

3）檢測精度隨介質層的完整程度而存在差異。完整介質層檢測精度較高，破損介質層檢測精度則較低。