在隧道衬砌检测中的GPR 探地雷达应用
时间：2023-08-03 阅读：1338
根据《隧道衬砌质量无损检测技术规程（T/CSPSTC 55-2020）》、《公路隧道检测规程（T/CECS G-J60-2020）》、《铁路隧道衬砌质量无损检测规程（TB10223-2004）》等标准文件的指示，在隧道建设过程中需要对隧道衬砌结构的施工质量进行检测。
合格的隧道衬砌包括:
开挖断面达到设计要求；
初期支护数量达到设计标准；
围岩、初喷混凝土、二衬混凝土间结合紧密等。
但在实际情况中，大部分隧道衬砌总有各种各样的问题，如：空洞、脱空、不密实以及钢筋缺失等，难以满足上述合格标准。空洞和不密实主要出现在隧道各结构的内部，脱空则主要在连接部位。
探地雷达，可以有效检测隧道围岩、初支、二衬以及仰拱等结构的混凝土层厚度、钢筋网分布以及内部缺陷等问题。
上述缺陷在雷达图像上的主要表征有：
不密实：衬砌界面的强发射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散[1]。
脱空：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[1]。
空洞：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[1]。
不密实 脱空 空洞
隧道衬砌常见缺陷及雷达检测图示
- 围岩 -
1. 光爆效果不好造成的空洞
光面爆破控制不好，导致超挖、欠挖现象频繁出现，隧道断面出现锯齿状的起伏。雷达图像上部显示脱空，空洞规模小且不连续[3]。
初支和围岩间空洞的雷达图[3]
2. 超挖回填造成的不密实缺陷
当隧道的超挖尺寸过大时，若通过灌浆法或干砌法，进行片石而非同级混凝土回填，则容易出现片石间空隙未被混凝土填满的现象，最终造成不密实缺陷。下图为片石回填不密实的雷达图像，衬砌设计厚度55cm，检测厚度50cm，混凝土厚度没有达到设计要求。背后混凝土不密实[3]。
片石回填不密实的雷达图[3]
3. 大塌方或大溶洞形成的空洞
塌方是开挖时出现较大面积坍落的现象，一般沿隧道中线方向延续长度在2m以上，有时可长至10米，较大溶洞的尺寸还要大于塌方[3]。下图是拱部溶洞经过处理后的雷达图像，由于采用钢筋混凝土加固，雷达信号出现强烈反射波组，检测到衬砌混凝土后面有空洞，深度达到2.4m以上[3]。
衬砌背后溶洞的雷达图[3]
4. 塌方回填造成的不密实缺陷
对小规模塌方（坍高1m左右）的处理要求和超挖相同-用浆砌片石填充，要求片石竖向摆放，用挤浆法施工，保证沙浆饱满；禁止片石横向搁置或用灌浆法、干砌法施工，否则片石间空隙不能填充混凝土，会造成不密实缺陷。
下图所示是小规模塌方处回填片石的图像。衬砌设计厚度45cm，检测混凝土厚度55cm，混凝土厚度达到设计要求。背后回填片石沙浆基本饱满，局部片石间存在少量空隙[3]。
塌方回填片石后的雷达图[3]
5. 小溶洞
小溶洞的处理方法和塌方类似，雷达图像特征基本相同。较大溶洞一般采用喷锚支护，以稳定溶洞处的岩体，再用浆砌片石回填洞穴。如下左图所示，是溶洞回填后的雷达图像[3]。
隐伏溶洞指在设计和施工过程中都没有发现的溶洞。如果隧道围岩水量丰富或有水腐蚀时，会逐渐发展成渗水、漏水等病害，在北方冬季还会形成冻害。下方右图中，衬砌背后清晰地反映出隐伏溶洞的位置。该段衬砌混凝土设计厚度30cm,溶洞处在施工时已经发现有溶蚀现象，采用了钢拱架加固，衬砌界面反射强烈。检测出溶洞长度约5m,深度1.2~2.4m[3]。
溶洞回填片石雷达图[3] 隐伏溶洞雷达图[3]
- 初期支护 -
初期支护一般有喷射混凝土、喷射混凝土加锚杆、喷射混凝土锚杆与钢架联合支护等形式。
国内某隧道现场检测初支
初期支护和二衬混凝土共同承担隧道荷载。喷射混凝土厚度一般在5~25cm左右，二衬混凝土一般在30cm以上。由于隧道衬砌检测一般安排在二衬完成之后，如果二者之间没有空隙，检测的混凝土厚度是喷射混凝土和二衬混凝土的综合厚度；如果二者之间存在空隙，检测的混凝土厚度则是二衬混凝土的厚度。喷射混凝土的厚度可以通过分析钢筋网、格栅拱架以及衬砌背后脱空等缺陷的特征来综合判定。
准确检测喷射混凝土厚度要在二衬混凝土施工前进行，喷射混凝土厚度一般小于25cm。V级围岩、局部IV级围岩或大的塌方、溶洞段，作为初期支护的钢筋网或钢拱架，需要对其数量和位置进行检测。
国内某隧道现场图像
国内某隧道雷达图（部分）
通过软件，可实现多条探地雷达检测路线的立体式成像。
初支缺陷的图像特征
如下雷达图像，显示出中部钢筋网背后浆砌回填片石不够，存在空洞；右侧钢筋网缺失，衬砌背后存在空洞[3]。
初支的空洞、钢筋网缺失[3]
下图显示出，钢筋网在中间错断，左侧钢筋网突起位置衬砌混凝土厚度15cm,钢筋网背后没有空洞，该段设计衬砌厚度42cm,属于严重欠挖缺陷[3]。
初支的空洞、钢筋网缺失[3]
- 二衬 -
防水层：复合式衬砌结构的防水层，铺设在初支与二衬之间，包括无纺布和防水板。无纺布通常采用土工织物，起缓冲、滤水和导水作用；防水板通常采用高分子防水卷材，包括EVA、ECB、PE等。幅宽一般为2～4m，厚度在1.0～2.0mm。耐刺穿性、柔性、耐久性好。
国内某隧道防水板现场图示
二衬
在复合式衬砌中，二衬承担少量围岩变形荷载，是对初期支护的补充加强。二衬通常采用模筑混凝土或钢筋混凝土，厚度范围在30mm~60mm。
新加坡CET隧道现场检测
加坡CET隧道检测结果（部分）
二衬常见缺陷问题
1.输送混凝土不当，衬砌中形成空洞
在拼装台车衬砌的隧道中，由于人工输送混凝土不当，衬砌中形成空洞。空洞一般表现出连续性，且纵向尺寸大[3]。
下图所示是衬砌中出现空洞的雷达图像，二衬混凝土厚度30cm，最薄处混凝土厚度10cm，空洞竖向尺寸最大达到50cm[3]。
砌端头空洞雷达图像[3]
2. 挡头模板位置处的空洞
在泵送混凝土衬砌时，两个衬砌循环的衬砌连接处，后一循环的挡头模板位置形成空洞[3]。如下图空洞形成的示意图，其雷达图清晰地反映了分界处两侧的衬砌状态[3]。
空洞形成示意图[3]
挡头模板空洞雷达图[3]
3. 钢筋混凝土
IV级围岩、V围岩、隧道洞口以及特殊段落需要设置钢筋混凝土衬砌。下图是钢筋混凝土衬砌的钢筋分布示意图[3]。
钢筋混凝土衬砌的钢筋分布示意图[3]
下图是二衬中钢筋网的雷达图像。图中右侧衬砌混凝土中由于存在钢筋造成强烈反射，信号反应明显。左侧素混凝土衬砌设计厚度42cm，衬砌混凝土与围岩界面清晰。两段不同衬砌的分界面十分明显[3]。
衬砌中钢筋网分布[3]
- 隧道仰拱 -
仰拱是设置在隧道底部的反向拱形结构，主要用于抵御底部围岩压力、防止衬砌沉降，与二次衬砌构成环状整体，增加结构稳定性。仰拱一般为钢筋混凝土结构，厚度在40-65mm。
隧道结构示意图
隧道仰拱钢筋铺设
现场雷达监测图 隧道监测结果雷达图（部分）
结果显示，开挖深度达不到设计标准，仰拱深度偏小[3]。
隧道仰拱空洞、不密实[3]
参考文献
[1] TB 10223-2004,铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].
[2] 贺建辉 李又云 秦世伟. 隧道二衬雷达检测常见缺陷图及形成原因[J]. 山西建筑，2012，38(32)：196-197.
[3] 张隽 赵年全 白国峰 主编.探地雷达检测技术与管理[M]. 长春：吉林大学出版社，2020.10：56-63
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