在隧道襯砌檢測中的GPR 探地雷達(dá)應(yīng)用

更新時(shí)間：2023-08-03

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根據(jù)《隧道襯砌質(zhì)量無損檢測技術(shù)規(guī)程（T/CSPSTC 55-2020）》、《公路隧道檢測規(guī)程（T/CECS G-J60-2020）》、《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程（TB10223-2004）》等標(biāo)準(zhǔn)文件的指示，在隧道建設(shè)過程中需要對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。

合格的隧道襯砌包括:

開挖斷面達(dá)到設(shè)計(jì)要求；
初期支護(hù)數(shù)量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；
圍巖、初噴混凝土、二襯混凝土間結(jié)合緊密等。

但在實(shí)際情況中，大部分隧道襯砌總有各種各樣的問題，如：空洞、脫空、不密實(shí)以及鋼筋缺失等，難以滿足上述合格標(biāo)準(zhǔn)。空洞和不密實(shí)主要出現(xiàn)在隧道各結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，脫空則主要在連接部位。

探地雷達(dá)，可以有效檢測隧道圍巖、初支、二襯以及仰拱等結(jié)構(gòu)的混凝土層厚度、鋼筋網(wǎng)分布以及內(nèi)部缺陷等問題。

上述缺陷在雷達(dá)圖像上的主要表征有：

不密實(shí)：襯砌界面的強(qiáng)發(fā)射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散[1]。
脫空：出現(xiàn)多次反射，電磁波同相軸呈弧形，相位與相鄰道發(fā)生錯(cuò)斷，振幅明顯增強(qiáng)[1]。
空洞：襯砌界面反射信號強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號，兩組信號時(shí)程差較大[1]。

不密實(shí) 脫空空洞

隧道襯砌常見缺陷及雷達(dá)檢測圖示

- 圍巖 -

1. 光爆效果不好造成的空洞

光面爆破控制不好，導(dǎo)致超挖、欠挖現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，隧道斷面出現(xiàn)鋸齒狀的起伏。雷達(dá)圖像上部顯示脫空，空洞規(guī)模小且不連續(xù)[3]。

初支和圍巖間空洞的雷達(dá)圖[3]

2. 超挖回填造成的不密實(shí)缺陷

當(dāng)隧道的超挖尺寸過大時(shí)，若通過灌漿法或干砌法，進(jìn)行片石而非同級混凝土回填，則容易出現(xiàn)片石間空隙未被混凝土填滿的現(xiàn)象，最終造成不密實(shí)缺陷。下圖為片石回填不密實(shí)的雷達(dá)圖像，襯砌設(shè)計(jì)厚度55cm，檢測厚度50cm，混凝土厚度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。背后混凝土不密實(shí)[3]。

片石回填不密實(shí)的雷達(dá)圖[3]

3. 大塌方或大溶洞形成的空洞

塌方是開挖時(shí)出現(xiàn)較大面積坍落的現(xiàn)象，一般沿隧道中線方向延續(xù)長度在2m以上，有時(shí)可長至10米，較大溶洞的尺寸還要大于塌方[3]。下圖是拱部溶洞經(jīng)過處理后的雷達(dá)圖像，由于采用鋼筋混凝土加固，雷達(dá)信號出現(xiàn)強(qiáng)烈反射波組，檢測到襯砌混凝土后面有空洞，深度達(dá)到2.4m以上[3]。

襯砌背后溶洞的雷達(dá)圖[3]

4. 塌方回填造成的不密實(shí)缺陷

對小規(guī)模塌方（坍高1m左右）的處理要求和超挖相同-用漿砌片石填充，要求片石豎向擺放，用擠漿法施工，保證沙漿飽滿；禁止片石橫向擱置或用灌漿法、干砌法施工，否則片石間空隙不能填充混凝土，會(huì)造成不密實(shí)缺陷。

下圖所示是小規(guī)模塌方處回填片石的圖像。襯砌設(shè)計(jì)厚度45cm，檢測混凝土厚度55cm，混凝土厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。背后回填片石沙漿基本飽滿，局部片石間存在少量空隙[3]。

塌方回填片石后的雷達(dá)圖[3]

5. 小溶洞

小溶洞的處理方法和塌方類似，雷達(dá)圖像特征基本相同。較大溶洞一般采用噴錨支護(hù)，以穩(wěn)定溶洞處的巖體，再用漿砌片石回填洞穴。如下左圖所示，是溶洞回填后的雷達(dá)圖像[3]。

隱伏溶洞指在設(shè)計(jì)和施工過程中都沒有發(fā)現(xiàn)的溶洞。如果隧道圍巖水量豐富或有水腐蝕時(shí)，會(huì)逐漸發(fā)展成滲水、漏水等病害，在北方冬季還會(huì)形成凍害。下方右圖中，襯砌背后清晰地反映出隱伏溶洞的位置。該段襯砌混凝土設(shè)計(jì)厚度30cm,溶洞處在施工時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有溶蝕現(xiàn)象，采用了鋼拱架加固，襯砌界面反射強(qiáng)烈。檢測出溶洞長度約5m,深度1.2~2.4m[3]。

溶洞回填片石雷達(dá)圖[3] 隱伏溶洞雷達(dá)圖[3]

- 初期支護(hù) -

初期支護(hù)一般有噴射混凝土、噴射混凝土加錨桿、噴射混凝土錨桿與鋼架聯(lián)合支護(hù)等形式。

國內(nèi)某隧道現(xiàn)場檢測初支

初期支護(hù)和二襯混凝土共同承擔(dān)隧道荷載。噴射混凝土厚度一般在5~25cm左右，二襯混凝土一般在30cm以上。由于隧道襯砌檢測一般安排在二襯完成之后，如果二者之間沒有空隙，檢測的混凝土厚度是噴射混凝土和二襯混凝土的綜合厚度；如果二者之間存在空隙，檢測的混凝土厚度則是二襯混凝土的厚度。噴射混凝土的厚度可以通過分析鋼筋網(wǎng)、格柵拱架以及襯砌背后脫空等缺陷的特征來綜合判定。

準(zhǔn)確檢測噴射混凝土厚度要在二襯混凝土施工前進(jìn)行，噴射混凝土厚度一般小于25cm。V級圍巖、局部IV級圍巖或大的塌方、溶洞段，作為初期支護(hù)的鋼筋網(wǎng)或鋼拱架，需要對其數(shù)量和位置進(jìn)行檢測。

國內(nèi)某隧道現(xiàn)場圖像

國內(nèi)某隧道雷達(dá)圖（部分）

通過軟件，可實(shí)現(xiàn)多條探地雷達(dá)檢測路線的立體式成像。

GPR-slice 處理雷達(dá)數(shù)據(jù)

初支缺陷的圖像特征

如下雷達(dá)圖像，顯示出中部鋼筋網(wǎng)背后漿砌回填片石不夠，存在空洞；右側(cè)鋼筋網(wǎng)缺失，襯砌背后存在空洞[3]。

初支的空洞、鋼筋網(wǎng)缺失[3]

下圖顯示出，鋼筋網(wǎng)在中間錯(cuò)斷，左側(cè)鋼筋網(wǎng)突起位置襯砌混凝土厚度15cm,鋼筋網(wǎng)背后沒有空洞，該段設(shè)計(jì)襯砌厚度42cm,屬于嚴(yán)重欠挖缺陷[3]。

初支的空洞、鋼筋網(wǎng)缺失[3]

- 二襯 -

防水層：復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的防水層，鋪設(shè)在初支與二襯之間，包括無紡布和防水板。無紡布通常采用土工織物，起緩沖、濾水和導(dǎo)水作用；防水板通常采用高分子防水卷材，包括EVA、ECB、PE等。幅寬一般為2～4m，厚度在1.0～2.0mm。耐刺穿性、柔性、耐久性好。