近年來(lái),隨著我國(guó)快速客運(yùn)交通以及市政工程建設(shè)的迅速發(fā)展,越來(lái)越多的鐵路、公路隧道開(kāi)始涌現(xiàn),伴隨而來(lái)的隧道二次襯砌質(zhì)量問(wèn)題層出不窮??茖W(xué)、有效地探查二次襯砌質(zhì)量問(wèn)題,經(jīng)濟(jì)、合理地預(yù)防和處治二次襯砌質(zhì)量缺陷,能極大地降低隧道病害的發(fā)生,保證隧道施工及運(yùn)營(yíng)期間的安全。地質(zhì)雷達(dá)以其特有的連續(xù)、無(wú)損、高效、便攜、高精度等特點(diǎn),在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。
01
地質(zhì)雷達(dá)工作基本原理
地質(zhì)雷達(dá)作為一種淺層工程物探方法的新技術(shù),主要由主機(jī)、天線(xiàn)、輸出設(shè)備、測(cè)距系統(tǒng)及配套解譯軟件等部分組成。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性,地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)T以寬頻帶(106Hz~109Hz)短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波,當(dāng)其遇到不均勻體(電性變化界面)時(shí)產(chǎn)生反射回波被另一天線(xiàn)R接收,其反射系數(shù)由介質(zhì)兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)決定,通過(guò)對(duì)雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、對(duì)圖像文件進(jìn)行分析比對(duì)和解譯,達(dá)到識(shí)別隱蔽目標(biāo)物、建立地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型的目的。
地質(zhì)雷達(dá)在介質(zhì)中傳播見(jiàn)圖1.電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度v是已知的,對(duì)于特定的天線(xiàn)系統(tǒng),收發(fā)距x是固定的,因此根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)記錄上的反射波與入射波的時(shí)間差t,即可根據(jù)下式算出異常目標(biāo)物的埋藏深度h:
收發(fā)距x一般極小,因此實(shí)際工程應(yīng)用中,埋藏深度經(jīng)常用h=vt/2近似得到。
雷達(dá)波反射信號(hào)的振幅與反射系數(shù)成正比,在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中,反射系數(shù)r可表示為:
式中,ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異,電性差異越大,反射信號(hào)越強(qiáng)。雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導(dǎo)電率越高,穿透深度越小;中心頻率越高,穿透深度越小,反之亦然。
02
地質(zhì)雷達(dá)在隧道二次襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用
2.1 工程概況
××隧道位于福建省福州市境內(nèi),起始里程DK76+944,終止里程為DK78+805,全長(zhǎng)1861m。隧道為雙線(xiàn)鐵路隧道,設(shè)計(jì)時(shí)速200km/h,隧道內(nèi)線(xiàn)間距為4.4~4.6m,采用有砟軌道碎石道床,軌道結(jié)構(gòu)高度高766mm。隧道采用馬蹄形斷面,全包防水,采用復(fù)合式襯砌形式。
2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用勞雷SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)及配套的屏蔽天線(xiàn)進(jìn)行。檢測(cè)時(shí),天線(xiàn)與隧道襯砌表面密貼,沿測(cè)線(xiàn)均勻滑動(dòng),滑動(dòng)時(shí)天線(xiàn)不可停頓或脫開(kāi)。
1)天線(xiàn)選型
針對(duì)本次檢測(cè)的具體情況,從分辨率、穿透深度和穩(wěn)定性三個(gè)方面綜合考量,選擇了900MHz的屏蔽天線(xiàn)。
2)記錄參數(shù)的確定
在選定測(cè)量天線(xiàn)后,進(jìn)行了記錄參數(shù)選取試驗(yàn)。根據(jù)探測(cè)深度及目標(biāo)物尺寸等,設(shè)置時(shí)窗深度為15ns,采樣點(diǎn)數(shù)為512,掃描速度為100掃描/秒,選取時(shí)間測(cè)量模式。
3)測(cè)線(xiàn)布置
根據(jù)測(cè)試要求,雷達(dá)測(cè)線(xiàn)沿隧道縱向布置,共布置5條連續(xù)測(cè)線(xiàn),分別為:拱頂、左右拱腰、左右邊墻。具體測(cè)線(xiàn)位置見(jiàn)圖2。
4)檢測(cè)流程
?、贋楸WC點(diǎn)位的準(zhǔn)確,在檢測(cè)工作開(kāi)展前,提前在隧道的邊墻上每10m做好標(biāo)記,每50m設(shè)置里程樁號(hào)標(biāo)識(shí),安排清理隧道內(nèi)的雜物,準(zhǔn)備好襯砌臺(tái)車(chē)等工作臺(tái)架。
?、诓ㄋ贅?biāo)定。電磁波在介質(zhì)中傳播的速度主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù),材料不同其參數(shù)也不同,選擇適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)對(duì)于獲取目標(biāo)體準(zhǔn)確的深度信息非常重要,本次二襯質(zhì)量檢測(cè)選取洞口電纜槽厚度可量測(cè)部位進(jìn)行波速標(biāo)定,確定電磁波波速約為0.12m/ns,介電常數(shù)約為6.26。
?、鬯淼?STRONG>檢測(cè)工作開(kāi)始后,檢測(cè)工程師負(fù)責(zé)設(shè)備操作及記錄(測(cè)線(xiàn)位置、里程樁號(hào)、標(biāo)記間隔、干擾與異常),并負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào),并安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)天線(xiàn)數(shù)據(jù)采集及相關(guān)輔助工作(照明、車(chē)輛調(diào)度等)。
2.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析
1)數(shù)據(jù)分析流程及結(jié)果
采集的連續(xù)雷達(dá)掃描數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)文件預(yù)處理后,采用配套軟件Radan7進(jìn)行分析解譯,常見(jiàn)的處理流程包括:確定時(shí)間零點(diǎn)→背景去除→帶通濾波→增益→反褶積→偏移歸位→2D交互式解釋等。
隧道襯砌質(zhì)量缺陷往往伴隨著區(qū)域介質(zhì)的變化,如空洞、脫空、不密實(shí)、裂縫等混凝土介質(zhì)中出現(xiàn)空氣介質(zhì)層,而滲漏水則會(huì)造成混凝土襯砌中產(chǎn)生含水層,電磁波通過(guò)這些介質(zhì)躍變層時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射異常,電磁波的振幅與極性、頻譜特征、同相軸形態(tài)特征會(huì)出現(xiàn)明顯變化,這些變化最終會(huì)在電磁波連續(xù)測(cè)線(xiàn)組成的灰度圖上反映出來(lái)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,本項(xiàng)目共計(jì)發(fā)現(xiàn)隧道襯砌質(zhì)量問(wèn)題397處,詳見(jiàn)表1.
2)二次襯砌質(zhì)量缺陷典型圖像
常見(jiàn)的二次襯砌質(zhì)量缺陷包括空洞、脫空、不密實(shí)、襯砌厚度不足等。
?、倏斩础⒚摽张嗅屢c(diǎn):
空洞在地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示為孤立體信號(hào),襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng),三振相明顯,在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào),兩組信號(hào)時(shí)程差較大。
脫空在地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示為出現(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)。典型的二次襯砌脫空?qǐng)D像見(jiàn)圖3.
?、诓幻軐?shí)判釋要點(diǎn)
不密實(shí)在地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示為凌亂、不連續(xù)的強(qiáng)反射能量團(tuán)塊狀異常,電磁波波形雜亂,同相軸錯(cuò)斷[1]。典型的二次襯砌不密實(shí)圖像見(jiàn)圖4.
?、垡r砌厚度不足判釋要點(diǎn)
襯砌厚度不足判斷的前提是準(zhǔn)確判斷二次襯砌與初支噴射混凝土的交界面,進(jìn)而得到二次襯砌的準(zhǔn)確厚度。由于噴射混凝土與二次襯砌混凝土的電性參數(shù)相差較小,如它們之間接觸較好,則可能沒(méi)有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。因此交界面的判斷則需要以二次襯砌混凝土中的第二排鋼筋網(wǎng)的下表面或者噴射混凝土中的初支鋼架、格柵拱架的上表面等作為參照物,如二次襯砌混凝土中同時(shí)出現(xiàn)脫空,亦可通過(guò)空氣層的上表面來(lái)判斷。鋼架、格柵拱架在地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示為分散的或成對(duì)出現(xiàn)的月牙形強(qiáng)反射信號(hào),鋼筋為連續(xù)的小尖波強(qiáng)反射信號(hào)。典型的隧道二次襯砌厚度不足圖像見(jiàn)圖5.
03
二次襯砌質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因分析
3.1 二次襯砌脫空產(chǎn)生的常見(jiàn)原因
1)初期支護(hù)噴射混凝土施工質(zhì)量較差
初支光爆效果差,開(kāi)挖面不平順,超挖嚴(yán)重,初期噴射混凝土作業(yè)時(shí),噴射厚度不足或超挖選用回填材料不當(dāng),不能完全填充圍巖表面的坑洞,初支鋼架或格柵拱架背后未回填密實(shí),二次襯砌難以與初期支護(hù)密貼,造成脫空。
2)防水板鋪設(shè)質(zhì)量欠佳
如隧道初期支護(hù)表面不平順,防水板鋪掛過(guò)緊,防水板未與初支面密貼,會(huì)導(dǎo)致二次襯砌混凝土澆筑時(shí),混凝土因防水板阻隔無(wú)法填充初期支護(hù)表面凹槽或坑洞,形成二襯背后脫空[2]。
3)二次襯砌混凝土澆筑工藝控制不當(dāng)
二次襯砌混凝土拌制或配合比不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致混凝土在澆筑過(guò)程中產(chǎn)生收縮。襯砌臺(tái)車(chē)支撐不牢固或剛度不足,脫模時(shí)間過(guò)早,二襯混凝土下沉過(guò)大。注漿工藝不當(dāng):泵送混凝土壓力不足、泵送角度不合理、混凝土流動(dòng)性不夠、澆筑間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng),拆管過(guò)早、封口不當(dāng)?shù)?,都?huì)導(dǎo)致二次襯砌背后脫空或空洞[3]。
3.2 二次襯砌厚度不足的常見(jiàn)原因
二次襯砌厚度不足的常見(jiàn)原因包含:
?、贉y(cè)量放線(xiàn)精度低或爆破效果不理想,圍巖侵限造成二次襯砌厚度不足;
②預(yù)留變形量不足,圍巖變形量過(guò)大;
?、鄢踔娚浠炷辆植窟^(guò)厚,二次襯砌施工時(shí)未進(jìn)行有效處理;
?、芏我r砌背后脫空伴隨的二次襯砌厚度不足;
?、萏幚硭竭^(guò)程中,對(duì)個(gè)別突出的巖石或初支拱架未進(jìn)行處理,造成二襯厚度不足。
04
二次襯砌質(zhì)量問(wèn)題專(zhuān)項(xiàng)處治
4.1 襯砌厚度不足專(zhuān)項(xiàng)整治方案
襯砌厚度不足整治方案設(shè)計(jì)時(shí),首先必須對(duì)厚度不足成因進(jìn)行區(qū)分:①?lài)鷰r欠挖導(dǎo)致襯砌厚度不足;②脫空導(dǎo)致厚度不足。
根據(jù)二次襯砌厚度值,襯砌厚度不足整治遵循如下原則:①二次襯砌厚度大于設(shè)計(jì)厚度的90%,襯砌表面無(wú)裂損情況,采取長(zhǎng)期觀(guān)察、監(jiān)測(cè)處理。
?、诙我r砌厚度為設(shè)計(jì)厚度的80%~90%,且缺陷段測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度小于2m,襯砌表面無(wú)裂損情況,采取長(zhǎng)期觀(guān)察、監(jiān)測(cè)處理。當(dāng)拱部140°范圍內(nèi)有三條及以上(同一斷面)測(cè)線(xiàn)顯示襯砌厚度為設(shè)計(jì)厚度的80%~90%時(shí),采取拱部140°范圍鑿除二次襯砌舊混凝土,植筋,重筑設(shè)計(jì)厚度的混凝土處理。
?、鄱我r砌厚度為設(shè)計(jì)厚度的80%~90%,且缺陷段測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度大于2m,如果拱部140°范圍二次襯砌存在缺陷,采取拱部140°范圍鑿除舊混凝土,植筋,重筑設(shè)計(jì)厚度的混凝土處理;如果邊墻二次襯砌存在缺陷,采取缺陷范圍鑿除舊混凝土,植筋,重筑設(shè)計(jì)厚度的混凝土。
?、芏我r砌厚度小于設(shè)計(jì)厚度的80%,如果拱部140°范圍二次襯砌存在缺陷,采取拱部140°范圍鑿除舊混凝土,植筋,重筑設(shè)計(jì)厚度的混凝土處理;如果邊墻二次襯砌存在缺陷,采取缺陷范圍鑿除舊混凝土,植筋,重筑設(shè)計(jì)厚度的混凝土。
?、莓?dāng)鑿除襯砌邊緣距離環(huán)向施工縫小于1m時(shí),需將鑿除襯砌邊緣與環(huán)向施工縫之間不足1m的襯砌一并鑿除處理;拱部襯砌鑿除寬度不小于50cm。
素混凝土拱部140°拆換處理流程如下:脫空位置鉆孔檢查→確定欠厚拆換范圍→設(shè)置拱墻鋼架臨時(shí)支撐→拆除欠厚范圍拱部140°襯砌混凝土→施工縫處理→檢查驗(yàn)收→鋪設(shè)防水材料→檢查驗(yàn)收→植入鋼筋→檢查驗(yàn)收→模筑二襯混凝土→回填灌漿。拱部鑿除示意圖詳見(jiàn)圖6,縱向素混凝土襯砌厚度不足整治示意圖見(jiàn)圖7,素混凝土植入鋼筋示意圖見(jiàn)圖8。
4.2 二次襯砌背后脫空、不密實(shí)專(zhuān)項(xiàng)整治方案
二次襯砌背后脫空整治方案設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)判斷:
?、倜摽粘霈F(xiàn)二襯與防水板之間,還是出現(xiàn)在初支與防水板之間;
?、谌缑摽胀瑫r(shí)伴隨著襯砌厚度不足設(shè)計(jì)厚度的1/2,應(yīng)視作襯砌厚度不足,進(jìn)行處理。
二次襯砌背后脫空采用注漿的方式進(jìn)行處理,處理要點(diǎn)如下:
?、賹?duì)脫空和不密實(shí)范圍進(jìn)行物探和鉆孔驗(yàn)證,鉆孔驗(yàn)證數(shù)據(jù)為主,確定準(zhǔn)確位置及范圍。
②襯砌鉆孔、安裝空口管。確定脫空和不密實(shí)范圍后,對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行鉆孔,注漿孔采用φ45~50mm鉆孔,交錯(cuò)布置,布置間距為1.0m×1.0m,根據(jù)空洞位置判斷實(shí)際鉆孔深度是否刺破防水板;注漿時(shí)孔口設(shè)置φ32帶絲扣的孔口管,并用植筋膠錨固在注漿孔內(nèi)??卓诤涂卓诠馨惭b示意圖詳見(jiàn)圖9。
?、圩{。
注漿前應(yīng)進(jìn)行吸水試驗(yàn),確定注漿參數(shù)。漿液配置采用M30微膨脹水泥砂漿,水灰比0.6:1~1:1,灰砂比1:1~1:2.5.襯砌背后注漿時(shí)隧道縱向應(yīng)由下坡至上坡方向依次進(jìn)行,采用逐漸加壓式注漿,至最大壓力值0.2MPa,注漿速度20~40L/min。當(dāng)空洞體積≤1.5m3時(shí)填充水泥砂漿,>1.5m3時(shí)填充C25細(xì)石砼。注漿過(guò)程中,相鄰注漿孔應(yīng)設(shè)置孔口塞,以免跑漿。
?、茏{孔的處理。
注漿完成后,先鑿出10cm×10cm×8cm(長(zhǎng)×寬×深)楔形孔(孔底長(zhǎng)度尺寸為13cm×13cm),將孔清洗干凈后采用膨脹水泥砂漿封堵注漿孔,膠凝材料(水泥、膨脹劑和摻和料的總量)最少用量為350kg/m,膨脹劑摻量不宜大于15%,不宜小于10%,水膠比不得大于0.5。注漿孔封堵示意圖詳見(jiàn)圖10。
05
結(jié)束語(yǔ)
隧道二次襯砌施工過(guò)程中常常出現(xiàn)空洞、脫空、厚度不足等質(zhì)量問(wèn)題,地質(zhì)雷達(dá)因其特有的無(wú)損、高效的特點(diǎn)在二襯缺陷檢測(cè)中廣泛引用。只有從初支源頭進(jìn)行控制,加強(qiáng)二次襯砌澆筑質(zhì)量,才能很好預(yù)防二襯缺陷的產(chǎn)生。注漿回填及鑿除植筋是處理二襯缺陷的常見(jiàn)方法,作業(yè)時(shí)必須加強(qiáng)過(guò)程控制,才能根治二襯質(zhì)量問(wèn)題,防止隧道病害的產(chǎn)生。