基于地质雷达的隧道衬砌缺陷分析及整治方法探讨_邵伟伟.pdf

书书书第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：邵伟伟，程燕，李红义，等基于地质雷达的隧道衬砌缺陷分析及整治方法探讨工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：基于地质雷达的隧道衬砌缺陷分析及整治方法探讨邵伟伟，程燕，李红义，马为功（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 ；中铁西北工程检测有限公司，甘肃 兰州 ；兰州博文科技学院 工程管理系，甘肃 兰州 ；兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 ）收稿日期：基金项目：中铁科研院科技开发计划项目（编号：）第一作者：邵伟伟（），男，高级工程师，硕士，主要从事工程物探勘察及检测方面的工作。：摘要：随着隧道数量及里程的大规模增加，隧道衬砌的缺陷问题暴露的越来越多，如何识别隧道衬砌缺陷并有效整治，成为广大建设者和运营工作者面对的一道难题。本文以笔者多年参与的地质雷达隧道衬砌缺陷检测资料为研究对象，结合隧道施工的实际状况，系统性地对隧道衬砌缺陷中衬砌空洞（脱空）、衬砌厚度不足和衬砌钢筋布设异常种衬砌缺陷的形成原因、地质雷达图像特征、危害及整治措施进行分析。衬砌空洞（脱空）、衬砌厚度不足可在浇筑、开挖和防水板施工过程中形成，衬砌钢筋异常多由钢筋未规范绑扎引起；衬砌空洞（脱空）、衬砌厚度不足和衬砌钢筋布设异常种缺陷可根据图像中反射信号的强烈程度和具体形态加以识别；隧道缺陷应论证是否需要整治，确需整治时应根据主要危害确定整治措施。本文总结了种隧道缺陷的形成原因、雷达图像特征及整治措施，有助于对隧道衬砌缺陷更有效地进行防范、检测以及确定整治措施。关键词：地质雷达；隧道衬砌；缺陷；分析；整治措施中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（.，；.，；.，；.，）工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷 ：，（），（），（），：；引言隧道作为交通建设领域一种典型的结构形式，因其施工对环境影响小、便捷、造价相对较低的优势，近年来越来越多地应用在一些大型交通建设上。随着隧道数量的大规模增加，隧道衬砌的缺陷问题也暴露得越来越多，直接影响到交通线路的正常运营，给国家造成巨大的经济损失。如何识别这些缺陷并有效整治，成为摆在广大建设者和运营工作者面前的头号问题。地质雷达是目前应用最多、最为成熟的无损检测方法之一，可以比较准确地识别出隧道衬砌缺陷，为科学预防和有效整治衬砌缺陷提供巨大的技术支撑。近年来许多学者对地质雷达检测隧道缺陷的效果进行研究。周斌等得出地质雷达在素混凝土检测方面有较为优异的表现，而进行钢筋混凝土检测时检测效果不理想。刘洋发现地质雷达检测钢筋混凝土衬砌时雷达图像中如果出现较为明显的倾斜状或抛物线状反射信号，通常存在脱空缺陷，并且在板缝接头处更容易出现倾斜状的脱空缺陷。马为功等对隧道衬砌缺陷检测判识标准进行了细化分类，将 铁路隧道衬砌质量无损检测规程 中不密实和空洞缺陷细化为不密实、脱空及空洞缺陷。宋福彬等 基于时域有限差分法建立地质雷达正演模型，可以有效模拟隧洞衬砌内的脱空、钢筋与混凝土脱离等病害缺陷，根据正演模拟图像中反射波的形态和能量分辨出不同的缺陷类型，并总结出不同缺陷类型的特征图像。本文针对隧道衬砌空洞（脱空）、衬砌厚度不足和衬砌钢筋布设异常种衬砌缺陷进行系统研究，分析其形成原因，并对其图像特征和主要危害进行描述，最后总结出整治方式。地质雷达简介地质雷达可通过超高频电磁波探测结构内部介质分布，国内自 世纪末期开始将其用于工程检测，至今已有 多年，多用于隧道、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构等检测。其用于隧道衬砌检测的基本原理如下 ：雷达天线向隧道衬砌表面发射高频电磁波，由于混凝土、钢筋、空洞（脱空）等介质的介电常数不同，使电磁波在不同介质的界面处发生反射，并由衬砌表面的天线接收，在雷达图像中就会表现出明显的异常，根据发射电磁波至反射电磁波返回的时间差与混凝土中电磁波传播的速度确定反射体距表面的距离，达到检测出混凝土内部的钢筋、钢架及空洞（脱空）位置的深度。地质雷达检测工作原理如图所示。第期邵伟伟，等：基于地质雷达的隧道衬砌缺陷分析及整治方法探讨图地质雷达检测工作原理 缺陷形成原因分析3.1隧道衬砌混凝土空洞（脱空）图隧道衬砌“倒三角”空洞形成机理 “”图隧道衬砌空洞形成机理一 浇筑原因现阶段隧道衬砌浇筑一般都以泵送混凝土为主，衬砌混凝土浇筑到拱部尤其在接近拱顶时，从衬砌下方个泵送口及模板端头个泵送口高压泵送混凝土入模，由于泵送“冲顶”压力不足，及拱部弧度较小，混凝土自重大，流速降低，无法充填到围岩面，导致衬砌与围岩之间形成脱空，在衬砌端头易形成“倒三角”的空洞，如图所示。开挖原因光面爆破效果差是造成隧道衬砌背后空洞的主要因素。对于、级围岩段，因初支一般不设钢架，喷射混凝土很难表面平顺，使得防水板难密贴初支面，如图所示；对于、级围岩段，光爆差则有时会造成钢架架立不平整致喷射混凝土表面不平顺，造成起伏现象，使得防水板难密贴初支，故在防水板后面形成空洞，如图所示。工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图隧道衬砌空洞形成机理二 图隧道衬砌厚度不足形成图示 防水板原因在隧道防水板铺设作业中，若防水板铺设局部紧绷，在防水板与喷射混凝土面之间会形成空腔，若防水板铺设松弛度过大形成褶皱，会造成衬砌背后脱空；若防水板固定不牢靠，衬砌混凝土浇筑时防水板下滑脱落，防水板背后会出现脱空，如图所示。图防水板造成空洞和厚度不足图示 3.2隧道衬砌混凝土厚度不足 浇筑原因拱部衬砌混凝土浇筑因输送泵压力不足，拱部混凝土未全面注满，致使二衬厚度不足，如图所示。开挖原因光爆技术差，或者局部欠挖，围岩面不平顺，导致个别区段拱架侵入二衬，造成二衬厚度不足，如图所示。防水板原因在衬砌混凝土施工中防水板固定不牢靠，边墙防水板因衬砌混凝土在浇筑过程中产生的巨大冲击力而下垮，引起拱部防水板脱落，加之混凝土的自重导致防水板受力紧贴于模板，衬砌浇筑至拱部时，因防水板阻挡形成衬砌厚度不足，如图所示。3.3隧道衬砌钢筋布设异常衬砌钢筋保护层厚度、钢筋间距及钢筋网垮落都是属于钢筋布设的范畴，本节将隧道衬砌钢筋保护层厚度过小或过大、隧道衬砌钢筋间距小于或大于设计值和钢筋网垮落种缺陷的产生的原因统一描述。其产生的原因主要是现场未按照标准程序进行钢筋绑扎，钢筋在绑扎施工过程中固定不牢靠，泵送混凝土压力过大，对钢筋网冲击，造成移位、变形和垮落，导致衬砌钢筋布设异常。第期邵伟伟，等：基于地质雷达的隧道衬砌缺陷分析及整治方法探讨隧道衬砌缺陷雷达图像及主要危害4.1隧道衬砌混凝土空洞（脱空）雷达图像典型特点：空洞（脱空）图像混凝土界面反射信号强，三振相明显，其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大，雷达图像如图所示。图在 段出现严重脱空。该缺陷在衬砌的拱腰及拱顶较易出现，主要危害：一方面衬砌空洞（脱空）会使其上方围岩在受到外界的扰动或自身内部失稳的情况下塌落，衬砌在岩石冲击力作用下垮塌、掉块；另一方面衬砌空洞（脱空）会导致衬砌整体结构受力不均，在空洞（脱空）处容易形成应力集中点，破坏结构稳定。图隧道衬砌空洞（脱空）图像 （）4.2隧道衬砌混凝土厚度不足雷达图像典型特点：因混凝土和围岩的介电常数存在差异，在设计衬砌厚度范围内，有较清晰的隧道围岩分界面反射信 号，雷 达 图像如 图 所示。图隧道衬砌厚度不足图像 图中红线标注的是衬砌设计厚度线，设计厚度为 ，但在 段实测最小厚度为 ，平均为 ，形成厚度不足。该缺陷可出现在衬砌任意位置，主要危害：一方面厚度不足处形成应力集中点，随着隧道运营时间变长，衬砌逐渐开裂，直至结构破坏出现掉块；另一方面背后围岩扰动失稳导致初支直接受压变形，初支压力再作用于厚度不足的衬砌上，导致衬砌在未形成裂缝等初期破坏的征兆下瞬间垮塌，危害巨大。工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷4.3隧道衬砌钢筋布设异常 隧道衬砌钢筋保护层厚度过小或过大雷达图像典型特点：保护层过小，电磁波产生“趋肤”效应，信号反射强烈，几乎不能准确判识保护层厚度大小，且深部雷达图像受其干扰，形成缺陷假象；保护层过大，钢筋雷达信号清晰，保护层厚度容易判识，雷达图像如图所示。图 中 隧 道 衬 砌 钢 筋 设 计 保 护 层 厚 度 为，但在 处最大保护层厚度为 ，保护层厚度过大，在 处最小保护层厚度为，保护层厚度过小。该缺陷在衬砌的拱腰及拱顶较易出现，钢筋保护层厚度过小主要危害：一方面钢筋在受拉的情况下，钢筋周围由于黏结滑移所引起的裂缝很容易发展到构件表面，形成沿纵向钢筋的裂缝，使保护层混凝土发生劈裂破坏、掉块；另一方面使钢筋裸露在大气中容易受蚀生锈，影响结构安全。钢筋保护层厚度过大主要危害：隧道衬砌受围岩压力作用后，衬砌混凝土外侧处于受拉状态，内侧处于受压状态，衬砌内部钢筋不能有效发挥作用，衬砌混凝土容易开裂产生裂缝，削弱衬砌承载能力，影响结构安全。图隧道衬砌钢筋保护层厚度过小、过大图像 隧道衬砌钢筋间距小于或大于设计值雷达图像典型特点：一般在隧道衬砌设计中，衬砌钢筋的设计间距为 ，这充分考虑到钢筋施工的便利及结构的安全。当钢筋间距小于设计值（）时，雷达钢筋月牙状反射多次叠加，反射信号强，钢筋数量识别不易；当钢筋间距大于设计值（）时，雷达钢筋月牙状信号清晰，钢筋数量易于辨识，雷达图像如图、图 所示。图 钢筋间距小于设计值雷达图像 图 钢筋间距大于设计值雷达图像 第期邵伟伟，等：基于地质雷达的隧道衬砌缺陷分析及整治方法探讨图 中钢筋间距为 ，钢筋间距小于设计值（）。图 中钢筋间距 ，钢筋间距大于设计值（）。该缺陷可出现在衬砌的任意位置，间距过小主要危害：一方面钢筋不仅不易绑扎，混凝土中的粗骨料也难以穿过钢筋间隙，大量石子拥堵在钢筋外侧导致水泥浆难以进入内部，产生拆模后衬砌烂根、露筋、空穴现象；另一方面衬砌配筋率变大，但混凝土的包裹能力变差，衬砌强度反而整体变低。衬砌钢筋间距大于设计值主要危害：衬砌整体钢筋数量少于设计值，衬砌承载能力不足，影响结构安全。钢筋网垮落雷达图像典型的特点：钢筋信号较清晰，整板总体呈倒“”状或波浪状分布，如图 、图 所示。图 在 段衬砌钢筋网呈倒“”状，图 在 段隧道衬砌钢筋网呈波浪状，该缺陷可出现在衬砌的任意位置，主要危害：钢筋网垮落会造成衬砌整体受力状态改变，钢筋无法起到设计预期的作用，衬砌承载力极大削弱，对 隧 道 的 整 体 安 全 性 有 巨 大 影 响，危 害极大。图 隧道衬砌钢筋网倒“”状图像 “”图 隧道衬砌钢筋网波浪状图像 缺陷的整治影响隧道施工质量的因素有很多，隧道衬砌存在一定的缺陷不可避免。在实际工作中，要正确地识别哪些缺陷影响结构安全必须整改，哪些缺陷整改既费工费时，整改效果又适得其反，不必整改。具体要根据实际情况进行论证甄别。5.1隧道衬砌混凝土空洞（脱空）隧道衬砌空洞（脱空）应根据实际空洞（脱空）工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷大小和分布范围采用不同处理方式，目前采用注浆和凿除处理的方式较多。注浆对于衬砌厚度满足设计要求的情况下，通过钻孔注浆对衬砌背后空洞（脱空）段进行充填注浆处理，注浆需严格依照方案执行。因浆液和混凝土仍有物理性能的巨大差异，空洞注浆后雷达图像仍有反应，但信号较弱，三振相淡化且有羽化现象，空洞注浆前后雷达图像分别如图、图 所示。图 空洞注浆前图像 图 空洞注浆后图像 需要说明的是，在注浆之前应依靠其他方法探明空洞（脱空）大小，论证注浆可行性，制定科学的注浆方案，防止较大体积的空洞（脱空）因一次性注浆过多而导致衬砌塌落。凿除为了隧道长期运营安全考虑，对于衬砌背后空洞较大的情况，建议凿除混凝土后重新进行支模浇筑，局部凿除如图 所示。图 隧道拱顶衬砌局部凿除图示 5.2隧道衬砌混凝土厚度不足在实际缺陷处理中，根据衬砌实测厚度与设计厚度的占比不同而给出不同的处理意见，目前采用凿除和加固处理的方式较多。凿除通常情况下为了隧道的长期运营安全考虑，都采取凿除重新施做的处理方式。目前，对于各部位的处理范围有所不同，衬砌拱部存在厚度不足缺陷时凿除缺陷范围为拱部环向 范围内的衬砌，拆除拱部衬砌的纵向凿除长度为缺陷及其边缘外侧各 范围，衬砌拆除最小纵向长度为。衬砌边墙存在厚度不足缺陷时凿除