周明伟

(健研检测集团有限公司 福建厦门 361004)

0 引言

近年来，随着我国快速客运交通以及市政工程建设的迅速发展，越来越多的铁路、公路隧道开始涌现，伴随而来的隧道二次衬砌质量问题层出不穷。科学、有效地探查二次衬砌质量问题，经济、合理地预防和处治二次衬砌质量缺陷，能极大地降低隧道病害的发生，保证隧道施工及运营期间的安全。地质雷达以其特有的连续、无损、高效、便携、高精度等特点，在隧道衬砌质量检测中广泛应用。

1 地质雷达工作的基本原理

地质雷达作为一种浅层工程物探方法的新技术，通过发射天线T以宽频带(106Hz～109Hz)短脉冲的形式，向介质内发射高频电磁波，当其遇到不均匀体(电性变化界面)时产生反射回波被另一天线R接收，然后通过对反射信号进行分析和解译，达到识别隐蔽目标物、建立地下介质的结构模型目的。地质雷达在介质中传播如图1所示。

其工作的基本原理，在于电磁波在特定介质中的传播速度v是已知的；对于特定的天线系统，收发距x是固定的。因此，根据地质雷达记录上的反射波与入射波的时间差t，即可根据式(1)～(2)算出异常目标物的埋藏深度h：

(1)

(2)

式中，c是电磁波在大气中的传播速度；ε为相对介电常数。

图1 地质雷达电磁波在介质中的传播示意图

收发距x一般极小，实际工程应用中，埋藏深度经常用h=vt/2近似得到。

2 地质雷达在隧道二次衬砌检测中应用实例

2.1 工程概况

某隧道位于福建省福州境内，起始里程DK76+944，终止里程为DK78+805，全长1861m。隧道为双线铁路隧道，设计时速200km/h，隧道内线间距为4.4m～4.6m，采用有砟轨道碎石道床，轨道结构高度766mm。隧道采用马蹄形断面、全包防水、复合式衬砌形式。

2.2 现场检测

现场测试采用劳雷SIR-4000地质雷达及配套的屏蔽天线进行。检测时，天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线均匀滑动；滑动时天线不能停顿也不能脱开。

(1)天线选型

针对本次检测的具体情况，从分辨率、穿透深度和稳定性3个方面综合考量，选择了900MHz的屏蔽天线。

(2)记录参数的确定

根据探测深度及目标物尺寸等，设置时窗深度为15ns，采样点数为512，扫描速度为100扫描/s，选取时间测量模式。

(3)测线布置

根据测试要求，雷达测线沿隧道纵向布置，共布置5条连续测线，分别为：拱顶、左右拱腰、左右边墙。具体测线位置如图2所示。

图2 隧道二次衬砌检测测线布置示意图

(4)检测流程

①为保证点位的准确，在检测工作开展前，提前在隧道的边墙上每10m做好标记，每50m设置里程桩号标识，安排清理隧道内的杂物，准备好衬砌台车等工作台架。

②波速标定。电磁波在介质中传播的速度主要取决于介质的介电常数，选择适当的介电常数对于获取目标体准确的深度信息非常重要。本次二衬检测，选取隧道大里程洞口电缆槽厚度可量测部位进行波速标定，确定电磁波波速约为0.12m/ns，介电常数约为6.26。

③隧道检测工作开始后，检测工程师负责设备操作及记录(测线位置、里程桩号、标记间隔、干扰与异常)，并负责现场协调，安排专人负责天线数据采集及相关辅助工作(照明、车辆调度等)。

2.3 检测数据处理与分析

(1)数据分析流程及结果

采集的雷达扫描数据，经过对数据文件预处理后，采用配套软件Radan7进行分析解译。常见的处理流程包括：确定时间零点→背景去除→带通滤波→增益→反褶积→偏移归位→2D交互式解释等。

隧道衬砌质量缺陷往往伴随着区域介质的变化，如空洞、脱空、不密实、裂缝等混凝土介质中出现的空气介质层，而渗漏水会造成混凝土衬砌中产生含水层。电磁波通过这些介质跃变层时会产生相应的反射异常，电磁波的振幅、极性、频谱特征、同相轴形态特征会出现明显变化。这些变化，最终会在电磁波连续测线组成的灰度图上反映出来。通过对检测数据进行分析，本项目共计发现隧道衬砌质量问题397处，如表1所示。

表1 某隧道二次衬砌质量问题汇总表

(2)二次衬砌质量缺陷典型图像

常见的二次衬砌质量缺陷，包括空洞、脱空、不密实、衬砌厚度不足等。

①空洞、脱空判释要点

空洞在地质雷达图像上显示为，孤立体信号，衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

脱空在地质雷达图像上显示为，出现多次反射，电磁波同相轴呈弧形，相位与相邻道发生错断，振幅明显增强。典型的二次衬砌脱空图像如图3所示。

图3 典型的隧道二次衬砌脱空图像

②不密实判释要点

不密实在地质雷达图像上显示为凌乱、不连续的强反射能量团块状异常，电磁波波形杂乱，同相轴错断[1]。典型的二次衬砌不密实图像如图4所示。

图4 典型的隧道二次衬砌不密实图像

③衬砌厚度不足判释要点

衬砌厚度不足判断的前提是，准确判断二次衬砌与初支喷射混凝土的交界面。由于喷射混凝土与二次衬砌混凝土的电性参数相差较小，如它们之间接触较好，则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。因此，交界面的判断则需要以二次衬砌混凝土中的第二排钢筋网的下表面，或者喷射混凝土中的初支钢架、格栅拱架的上表面等作为参照物。如二次衬砌混凝土中同时出现脱空，亦可通过空气层的上表面来判断。典型的隧道二次衬砌厚度不足图像如图5所示。

图5 典型的隧道二次衬砌厚度不足图像

3 二次衬砌质量问题产生的原因分析

3.1 二次衬砌脱空产生的常见原因

(1)初期支护喷射混凝土施工质量较差

初支光爆效果差，开挖面不平顺，超挖严重，初期喷射混凝土作业时，喷射厚度不足或超挖选用回填材料不当，不能完全填充围岩表面的坑洞，初支钢架或格栅拱架背后未回填密实，二次衬砌难以与初期支护密贴，造成脱空。

(2)防水板铺设质量欠佳

如隧道初期支护表面不平顺，防水板铺挂过紧，防水板未与初支面密贴，导致二次衬砌混凝土浇筑时，混凝土因防水板阻隔无法填充初期支护表面凹槽或坑洞，形成二衬背后脱空[2]。

(3)二次衬砌混凝土浇筑工艺控制不当

二次衬砌混凝土拌制或配合比不当，会导致混凝土在浇筑过程中产生收缩。衬砌台车支撑不牢固或刚度不足，脱模时间过早，二衬混凝土下沉过大。注浆工艺不当：泵送混凝土压力不足、泵送角度不合理、混凝土流动性不够、浇筑间隔时间过长，以及拆管过早、封口不当等，都会导致二次衬砌背后脱空或空洞[3]。

3.2 二次衬砌厚度不足的常见原因

二次衬砌厚度不足的常见原因包含：①测量放线精度低或爆破效果不理想，围岩侵限；②预留变形量不足，围岩变形量过大；③初支喷射混凝土局部过厚，二次衬砌施工时未进行有效处理；④二次衬砌背后脱空伴随的二次衬砌厚度不足；⑤处理塌方过程中，对个别突出的岩石或初支拱架未进行处理，造成二次衬砌厚度不足。

4 二次衬砌质量问题专项整治方案

4.1 衬砌厚度不足专项整治方案

衬砌厚度不足整治方案设计时，首先必须对厚度不足成因进行区分：①围岩欠挖导致衬砌厚度不足；②脱空导致厚度不足。

根据设计方案，衬砌厚度不足整治须遵循如下原则：

①二次衬砌厚度大于设计厚度的90%，衬砌表面无裂损情况，采取长期观察、监测处理。

②二次衬砌厚度为设计厚度的80%～90%，且缺陷段测线长度小于2m，衬砌表面无裂损情况，采取长期观察、监测处理。当拱部140°范围内有3条及以上(同一断面)测线显示衬砌厚度为设计厚度的80%～90%时，采取拱部140°范围凿除二次衬砌旧混凝土、植筋、重筑至设计厚度的混凝土处理。

③二次衬砌厚度为设计厚度的80%～90%，且缺陷段测线长度大于2m，二次衬砌存在缺陷，采取缺陷范围凿除旧混凝土、植筋、重筑至设计厚度的混凝土。

④二次衬砌厚度小于设计厚度的80%，且二次衬砌存在缺陷，采取缺陷范围凿除旧混凝土、植筋、重筑至设计厚度的混凝土。

⑤当凿除衬砌边缘距离环向施工缝小于1m时，需将凿除衬砌边缘与环向施工缝之间不足1m的衬砌一并凿除处理；拱部衬砌凿除宽度应不小于50cm。

素混凝土拱部140°拆换处理流程如下：脱空位置钻孔检查→确定欠厚拆换范围→设置拱墙钢架临时支撑→拆除欠厚范围拱部140°衬砌混凝土→施工缝处理→检查验收→铺设防水材料→检查验收→植入钢筋→检查验收→模筑二衬混凝土→回填灌浆。拱部凿除如图6所示，纵向素混凝土衬砌厚度不足整治如图7所示。

图6 二次衬砌拱部衬砌厚度不足凿除断面图

图7 纵向素混凝土衬砌厚度不足整治示意图

4.2 二次衬砌背后脱空、不密实专项整治方案

二次衬砌背后脱空整治方案设计时，首先应判断：(1)脱空出现在二衬与防水板之间，还是出现在初支与防水板之间；(2)如脱空同时伴随着衬砌厚度不足设计厚度的1/2，应视作衬砌厚度不足，进行处理。二次衬砌背后脱空采用注浆的方式进行处理，处理要点如下：

①对脱空和不密实范围进行物探和钻孔验证，钻孔验证数据为主，确定准确位置及范围。

②衬砌钻孔、安装孔口管。确定脱空和不密实范围后，对相应部位进行钻孔，注浆孔采用φ45～50mm钻孔，交错布置，布置间距为1.0m×1.0m，根据空洞位置判断实际钻孔深度是否刺破防水板；注浆时孔口设置φ32带丝扣的孔口管，并用植筋胶锚固在注浆孔内。孔口和孔口管安装示意图如图8所示。

③注浆。注浆前应进行吸水试验，确定注浆参数。浆液配置采用M30微膨胀水泥砂浆，水灰比0.6∶1～1∶1，灰砂比1∶1～1∶2.5，衬砌背后注浆时隧道纵向应由下坡至上坡方向依次进行，采用逐渐加压式注浆至最大压力值0.2MPa，注浆速度20～40L/min。当空洞体积≤1.5m3时填充水泥砂浆，>1.5m3时填充C25细石砼。注浆过程，相邻注浆孔应设置孔口塞，以免跑浆。

④注浆孔处理。注浆完成后，先凿出10cm×10cm×8cm楔形孔，将孔清洗干净后采用膨胀水泥砂浆封堵注浆孔，胶凝材料(水泥、膨胀剂和掺和料的总量)最少用量为350kg/m3，膨胀剂掺量不宜大于15%，不宜小于10%，水胶比不得大于0.5。注浆孔封堵示意图如图9所示。

图8 二次衬砌背后注浆布置示意图

图9 二次衬砌背后注浆注浆管封堵示意图

5 结语

隧道二次衬砌施工过程常常出现空洞、脱空、厚度不足等质量问题，地质雷达因其特有的无损、高效的特点在二衬缺陷检测中广泛引用。只有从初支源头进行控制，加强二次衬砌浇筑质量，才能很好地预防二衬缺陷产生。注浆回填及凿除植筋是处理二衬缺陷的常见方法，作业时必须加强过程控制，才能根治二衬质量问题，防止隧道病害的产生。