杜胜;周斌
【摘 要】The invert is the part of many diseases in the tunnel. The detection of the invert is a main content of a new tunnel construction quality control and the operating tunnel safety assessment. In this paper,the reliability of Ground Penetrating Radar( GPR) method in the detection of tunnel invert was analyzed and discussed. The results show that GPR has a high accuracy on qualitative detection of the density of tunnel invert,but the identified depth of the non-dense area is slightly different from the measured results through an open hole. When the interface between the tunnel inverted arch and its surrounding rock is obvious and the tunnel inverted arch is made of plain concrete, GPR with 270 M Hz antenna can detect the inverted arch concrete thickness accurately.%仰拱是隧道产生病害较多的部位,仰拱的检测是新建隧道施工质量控制、运营隧道安全评估的主要内容.本文结合工程实践对地质雷达法在铁路隧道仰拱检测中的可靠性进行了研究.结果表明:地质雷达法在隧道仰拱密实情况定性检测上具有较高的准确率,但检测的不密实区域深度与开孔实测结果略有偏差;在仰拱与围岩分界面较明显且仰拱为素混凝土时,地质雷达配置270 MHz天线可准确检测仰拱混凝土的厚度.
【期刊名称】《铁道建筑》 【年(卷),期】2017(000)005 【总页数】4页(P83-86)
【关键词】铁路隧道;可靠性;现场测试;仰拱;地质雷达;天线频率 【作 者】杜胜;周斌
【作者单位】中铁西南科学研究院有限公司,四川 成都 611731;中铁西南科学研究院有限公司,四川 成都 611731 【正文语种】中 文 【中图分类】U456.3+1
铁路隧道衬砌质量无损检测内容主要包括初期支护、二次衬砌和仰拱。相对于初期支护和二次衬砌，仰拱因上覆混凝土浇筑成的仰拱填充层，埋深较大。在仰拱检测时，对天线的参数和数据解释处理具有其独特性［1］。
目前主要采取地质雷达法和钻芯法对铁路隧道仰拱进行检测。地质雷达法作为一种无损检测技术，具有快捷高效的特点，但其检测效果受现场情况以及仰拱自身设计参数影响较大。而且由地质雷达电磁波频率决定的探测深度与分辨率互相制约。具有高分辨率的高频电磁波在浅部损耗严重;低频电磁波虽然穿透深度大，但分辨率不高。钻芯法检测仰拱具有直接、准确的优点，但其工作效率低，会对仰拱本身结构产生一定的破坏，且钻芯法检测仰拱数据往往是“一孔之见”，难以全面反应仰拱的质量情况。
本文通过对比地质雷达检测数据与钻芯实测结果，对地质雷达法检测隧道仰拱厚度及密实情况的可靠性进行分析和总结。
从无损检测的角度来讲，常见的隧道仰拱质量缺陷分为仰拱填充层混凝土不密实、仰拱厚度不足和隧底不密实3种。仰拱厚度不足产生的原因:①隧底开挖时欠挖，未挖到设计标高;②隧底钢架侵入仰拱造成混凝土厚度不足。隧底不密实产生的原因:①架设隧底钢架前或浇注混凝土前未将虚渣、杂物等清除干净;②隧底超挖部分
未采用同等级混凝土回填，而是采用虚渣回填［2］。
地质雷达主要参数包括天线的中心频率、时间窗口的长度、采样率、介电常数等［3-4］。下面对这些参数做简单的介绍。 1)天线中心频率
电磁波频率越高，分辨率越高，探测深度越小，而电磁波频率越低，分辨率越低，探测深度越大，因此在满足分辨率要求的情况下，应该尽量使用中心频率较低的天线。
天线中心频率的计算公式为
式中:f为天线的中心频率，MHz;x为空间分辨率，m; εr为相对介电常数。 2)时间窗口
时间窗口由探测深度和介质中电磁波速度决定。计算公式为
式中:W为时间窗口，ns;D为探测深度，m;v为介质中电磁波速度，m/ns;c为电磁波在空气中的传播速度，m/ns。
时间窗口的取值一般要增加30%，目的是为目标深度的变化留点余量。 3)时间采样间隔
根据奈奎斯特(Nyquist)采样定律［5］，地质雷达数据的采样频率应为雷达信号最高频率的2倍，为了保险起见，可将采样频率再加大一倍。因此，雷达数据的采样率约为所用天线的中心频率的6倍，即时间采样间隔Δt的表达式为
本文选取梅岭隧道进行地质雷达仰拱检测可靠性分析。梅岭隧道穿越几个小沟谷，沟谷呈狭长状，隧道最大埋深约150 m。隧道洞身主要地层为寒武系八村群第一亚群弱风化粉砂岩、砂岩、泥质砂岩夹页岩等，青灰色及紫红色。岩层构造单一，节理、裂隙发育。隧道明洞采取整体式结构，暗洞为复合式结构。
梅岭隧道仰拱检测采用劳雷公司生产的 GSSI SIR-3000型地质雷达，选用400 MHz和270 MHz 2个频率的地面耦合屏蔽天线进行组合使用［6］。
3.1 仰拱及填充层厚度检测
由于仰拱及填充层混凝土相对介电常数差异甚小，导致电磁波在仰拱和填充层间基本无反射，仰拱和填充层的分界面无法确定［7］。本文中仰拱厚度是指隧道仰拱填充层和仰拱混凝土厚度之和。
仰拱设计为素混凝土的里程段，仰拱与围岩分界面雷达反射波界面明显，地质雷达能够准确地检测素混凝土里程段仰拱的厚度。而在仰拱设计为钢筋混凝土的里程段，受仰拱混凝土内密集钢筋网的影响［8］，仰拱与围岩分界面雷达反射波界面无法提取，即地质雷达无法检测钢筋混凝土仰拱的厚度。
图1为素混凝土里程段仰拱检测地质雷达图像。地质雷达测线布置在电缆槽边，填充层及仰拱设计总厚度70 cm。从图中可见:DK664+240—DK664+245里程段地质雷达检测厚度在70～85 cm;仰拱与围岩分界面清晰可见。
图2为钢筋混凝土里程段仰拱检测地质雷达图像。地质雷达测线布置在中央水沟旁，填充层及仰拱设计总厚度160 cm。从图中可见:在厚度1.4 m处，有一条白色强反射亮线，根据设计及开挖验证资料，该段为钢筋混凝土里程段，白色亮线为钢筋网强反射信号连在一起所形成，由于钢筋埋深大，270 MHz天线的横向分辨率不足以在1.4 m深处分辨出每根钢筋，因此多根钢筋反射信号连在一起形成了连续的钢筋网反射信号。而在钢筋网反射信号之下，仰拱混凝土多为无效的低信噪比信号，接近杂波信号，无法从这些信号中提取出仰拱与围岩之间的反射界面。 3.2 仰拱及填充层密实情况检测
采用地质雷达法对梅岭隧道仰拱密实情况进行检测。结果表明，隧道存在电磁波不密实反射信号区域。经钻孔、探孔(槽)揭示，不密实反射信号区域为仰拱填充层。由于填充层存在片石夹层，不同片石夹层之间因密实程度的差异导致了介电常数的差异，电磁波在不同片石夹层中传播时波速差别较大［9］。计算不密实区域深度时所采用的介电常数根据现场部分钻孔标定的介电常数来取值，因钻孔标定的局限
性与随机性，导致检测结果中不密实区域深度范围与实际情况略有偏差［10］。 3.2.1 钻孔、探孔和探槽结果
在地质雷达检测结果判释为仰拱填充层混凝土不密实里程段，分别在地质雷达测线部位和隧道中心线进行了钻孔、探孔和探槽抽查，以验证地质雷达检测结果的准确性。
1)钻孔取芯结果
2014年6月16日至18日进行7个钻孔的取芯。芯样结果显示:芯样中存在片石夹层，与地质雷达检测结果判释为仰拱填充层混凝土不密实吻合。在片石夹层的埋深和厚度上，地质雷达检测结果与钻孔结果略有偏差。 2)探孔、探槽结果
2014年6月28日至7月1日，对隧道进行了8个探孔、2个探槽的验证工作。基本情况见表1。探孔(槽)揭示仰拱填充层存在片石夹层4处，分别在DK664+300仰拱右侧、DK664+359仰拱左侧、DK664 +500仰拱左侧、DK665+700仰拱右侧处，片石夹层厚12～30 cm，片石埋深55～70 cm。探孔(槽)揭示的片石夹层里程段与地质雷达法揭示的不密实区域基本吻合，在片石厚度及埋深上探孔(槽)与地质雷达检测结果略有差异。本次探孔(槽)均揭示到仰拱顶部。在仰拱顶部钻孔，钻孔结果显示，仰拱厚度满足设计要求，仰拱与基岩接触界面密实。
下面选取2个探孔进行详细说明。 ①里程DK664+500处探孔
该孔深度77 cm，仰拱填充层设计厚度78 cm。实测0～55 cm为混凝土，55～70 cm为片石夹层，70～77 cm见混凝土。在探孔底钻孔揭示，仰拱厚55 cm，底部为基岩。现场探孔见图3。
将里程DK664+500处探孔情况与设计、地质雷达检测结果进行对比。
DK664+500处仰拱填充层设计厚度78 cm，仰拱设计厚度55 cm。雷达检测在仰拱填充层有一个厚度25 cm的不密实信号区域，该区域深70～95 cm。探孔揭示，仰拱填充层有一个平均厚度15 cm的片石夹层，片石夹层深55～70 cm，在探孔底(仰拱顶面)钻孔取芯，揭示仰拱厚度为70 cm，满足设计要求，与地质雷达检测结果一致。对比探孔与雷达检测结果可知，二者在异常的判定上吻合，在不密实(片石夹层)区域的埋深和范围上略有偏差。 ②里程DK664+750处探孔
该孔深度138 cm，仰拱填充层设计厚度135 cm。实测0～138 cm为混凝土。探孔底钻孔揭示仰拱厚64 cm，底部为基岩。探孔左侧坑壁见图4。 将里程DK664+750处探孔情况与设计、地质雷达检测结果进行对比。里程DK664+750处仰拱填充层设计厚度135 cm，仰拱设计厚度60 cm。雷达检测与探孔结果均显示仰拱及填充层厚度满足设计要求，在仰拱及填充层未发现不密实(片石夹层)情况。
3.2.2 地质雷达检测与钻探结果对比
地质雷达检测判定的不密实区域与钻探揭示仰拱填充层存在片石夹层相吻合。在部分探孔、探槽底钻孔穿透仰拱，取得基岩芯样。结果显示，穿透仰拱处仰拱填充层及仰拱厚度均满足设计要求，仰拱与基岩接触密实。
1)地质雷达法在隧道仰拱密实情况定性检测上具有较高的准确率，地质雷达检测结果与开孔验证结果一致。
2)地质雷达法检测的不密实区域深度与开孔验证结果略有偏差。这是因为不密实区域多为片石夹层，其介电常数与混凝土介电常数具有较大的差异，因此导致地质雷达对不密实区域深度的判断不准确。
3)在仰拱与围岩分界面较明显且仰拱为素混凝土区域，地质雷达配置270 MHz天线可准确检测仰拱混凝土的厚度。
4)采用SIR-3000型地质雷达时，由于主机功率有限，往往难以达到较为理想的检测效果。建议采用SIR-20型地质雷达，并配置100，200 MHz天线进行仰拱厚度检测试验研究。
综上所述，采用地质雷达一种方法难以对隧道仰拱进行全面、有效检测。
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