頂管施工隧洞回填灌漿質量檢測技術應用與分析

何燦高，劉慶國

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

在水利工程建設中，隧洞工程越來越多，TBM（硬巖掘進機）與盾構施工技術已經比較成熟，但主要應用于大斷面的隧洞施工中。小直徑的隧道通常采用鉆爆法施工，施工效率低，安全問題突出。頂管施工具有速度快、隧洞一次成型、頂進距離長、環保、安全、工藝簡單等特點，在小直徑水工隧洞方面更具優勢[1]。

采用頂管施工技術，隧洞開挖洞徑略大于預制管道外徑，在頂進過程中，洞底普遍存在沉渣，外壁與圍巖的空間進一步被壓縮，待施工完畢后，實際可能只有數厘米，甚至部分管道外壁與圍巖直接接觸。盾構或鉆爆法施工隧洞竣工后多對襯砌質量進行檢測，多年來業內積累了豐富的經驗。頂管施工中管壁與圍巖縫隙較小，回填灌漿質量檢測難度大，對檢測技術提出了新要求。

1 工程概況

某大（2）型水利樞紐工程控制流域面積439 km2，總庫容1.52億m3，多年平均供水1.04億m3，總投資38.68億元，工程建成后可以滿足沿線居民飲水及農田灌溉用水需求，同時承擔中心城區380萬人的生活應急供水任務。該工程由大壩樞紐工程及輸水線路工程組成，輸水線路包括7座無壓隧洞、4條施工支洞、7座暗涵、2座渡槽、3座倒虹吸、6個分水口、4座檢修洞、1座退水閘、1座節制閘及沿線的排水排氣放空閥井等附屬建筑物等。

無壓隧洞施工是輸水線路工程的控制性工程，采用AVN2000泥水平衡型硬巖頂管機施工，頂管為內徑2.65 m、外徑3.17 m、單節長2.5 m的預制管道。隧洞圍巖為侏羅紀泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖，圍巖類型為Ⅲ～Ⅴ級，Ⅳ、Ⅴ級圍巖居多。

2 檢測方法與技術

2.1 方法原理

探地雷達法是利用高頻電磁波的反射來探測有電性差異的界面或目標體的一種物探技術。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，通過發射天線（T）向前發射，當遇到異常地質體或介質分界面時發生反射，并返回被接收天線（R）接收，并由主機記錄下來，形成雷達測試剖面圖[2-5]。

電磁波在界面上的反射和透射遵循Snell定律，反射脈沖信號的強度與界面的反射系數和穿透介質的衰減系數有關，主要取決于周圍介質與反射目的體的電導率和介電常數。

應用雷達記錄的雙程反射時間可以求得目的層的深度：

式中：t為目的層雷達波的反射時間（ns）；c為雷達波在真空中的傳播速度（0.3 m/ns）；εr為目的層以上介質相對介電常數均值。

檢測主要采用剖面法，其為發射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。

2.2 檢測設備及參數

本次檢測使用RAMAC/GPR雷達系統，配備800MHz天線及相應附屬設備。采樣頻率為12158MHz，采樣間隔0.05 m，采樣點數186，時窗15 ns，進行64次疊加。

2.3 數據處理及解釋

采用Reflexw-2D軟件，對實測雷達剖面按如下步驟依次進行處理。

（1）剖面長度校正。將實測剖面長度校正至實際剖面長度，以減小測距輪誤差，還原真實位置。

（2）靜校正（static correction）。切除直達波信號干擾，把時間校正到地面零點。

（3）去零點漂移（subtract-mean（dewow））。使采集信號歸位至零點基線。

（4）增強深部信號（energy decay）。放大顯示因能量衰減導致信號弱的深部反射信號。

（5）去除背景信號（subtracting average）。去除背景信號，突出顯示局部弱小異常信號。

（6）巴特沃斯帶通濾波（bandpass buterworth）。去除干擾、目標信號之外頻段的信號，保留目標頻段信號。

（7）滑動平均（running average）。對信號進行圓滑處理，去除毛刺等高頻信號，以最佳方式顯示處理成果。

電磁波在介質中傳播時，其路徑、場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。根據接收到的電磁波特征，即波的旅行時間、幅度、頻率和波形等，對雷達圖像進行處理和分析，將雷達圖像特征與被檢測介質特征建立對應關系，達到質量檢測目的。

3 工作布置

沿各無壓隧洞管道頂拱中心線，順洞向布置雷達測線。

4 檢測成果

對檢測的雷達圖像進行處理和分析，歸納典型雷達異常圖像有如下5種。

4.1 拋物線狀信號

在相鄰管道接縫處，雷達圖像呈拋物線狀強振幅特征，典型圖像如圖1中橢圓圈內所示，此類異常為典型的單點強反射信號。

圖1 典型雷達圖像

相鄰管道間的接縫處設計為順洞向厚約2 cm的木質墊片，管道外壁包裹有寬10 cm的保護鋼板，具體結構如圖2所示，木質墊片與金屬鋼板介電常數差異較大，在接縫處形成電磁波強反射界面，拋物線狀信號即為鋼板反射信號。

圖2 管道接縫處結構

通過管壁厚度標定電磁波速為0.1 m/ns，與混凝土電磁波速經驗值一致，同時可確定圖像中管道外壁位置，見圖1中虛線，并作為標志層進一步確定圖像中其他異常對應的實際位置。

4.2 無明顯強反射信號

頂管外壁標志層以外2～3 cm范圍內，雷達圖像無明顯反射信號，典型圖像如圖1中正方形內所示，說明回填灌漿質量較好或圍巖較完整無裂隙發育。

4.3 頂管外壁較遠處振幅較強的反射信號

頂管外壁標志層以外大于10 cm，雷達圖像出現振幅較強且延續范圍較大的反射信號，形成單一層狀、連續的反射軸，典型圖像如圖1中長方形內所示，此類異常代表介質差異極大的強反射界面的反射信號。

結合施工工藝分析認為，隧洞掘進后圍巖內部形成松弛巖體，尤其本工程圍巖為泥巖類，遇水后容易崩解，再加上裂隙發育等原因，整體滑落坍塌在管外壁上，圍巖內部形成空氣層。圖1中此類異常位于管外壁標志層以外約40 cm，反射面連續可追蹤，坍塌巖體順洞向長約17 m。

4.4 頂管外壁附近振幅較強的反射信號

頂管外壁標志層以外2～3 cm范圍內，雷達圖像出現振幅較強的反射信號，形成單一層狀反射軸，典型圖像如圖3橢圓圈內所示。此類異常與上述第三類異常性質相同，代表介質差異極大的強反射界面的反射信號，本工程中多為空氣層與圍巖、管壁形成的反射界面，說明頂管外壁出現脫空。

圖3 脫空段雷達圖像

對圖3中第一處異常進行鉆孔取芯驗證并采用鉆孔電視儀錄像，錄像成果如圖4中左側圖像所示，管壁外側與圍巖之間存在厚度約為2 cm的脫空，與雷達判定結果一致。

圖4 鉆孔驗證錄像

4.5 頂管外壁附近振幅相對較強的反射信號

頂管外壁標志層以外2～3 cm，雷達圖像出現振幅相對較強的反射信號，且同相軸相對雜亂，典型圖像如圖5—6中橢圓圈內所示，此類異常不如脫空類異常信號強，多為介質內存在較弱反射界面或介質不均一，缺陷程度相比脫空而言較輕，在本工程中代表回填灌漿不密實或者圍巖內部發育裂隙。

圖5 回填灌漿不密實段雷達圖像

圖6 圍巖裂隙發育段雷達圖像

分別對該2處異常進行鉆孔取芯驗證并錄像，錄像成果如圖4中間及右側圖像所示。中間圖像可見泥漿中有細微裂縫，回填灌漿密實度稍差；右側圖像可見管壁外側與圍巖接觸緊密，但附近圍巖內發育微小裂隙，局部巖體完整性差。鉆孔錄像揭露情況與雷達判定情況基本一致，說明該類異常多由灌漿密實度稍差或圍巖內部裂隙發育所致。

本工程各無壓隧洞檢測總長約14.7 km，對上述各種雷達異常進行歸類并統計，統計結果詳見表1。對脫空段異常處進行鉆孔驗證并重新灌漿，以確保工程質量。

表1 雷達異常及缺陷類型統計

5 結語

在水工建筑物質量檢測中，探地雷達法具備無損、快速、準確、低成本等優勢。本工程中對采用頂管技術施工的隧洞進行質量檢測，通過識別相鄰管道接縫處鋼板反射雷達信號，確定雷達信號中管道外壁位置，并作為標志層分析其他異常雷達信號，分別圈定了回填灌漿密實區、脫空區、不密實區（或基巖內部裂隙發育區）及圍巖坍塌區分布位置，取得了良好檢測效果，可供類似工程借鑒。