【摘" " 要】：為揭示隧道襯砌脫空分布規(guī)律，結(jié)合工程調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)隧道襯砌脫空規(guī)律展開研究，結(jié)果表明：襯砌背后脫空集中出現(xiàn)在拱頂與拱腰，占比高達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)的93%；襯砌背后脫空縱向長(zhǎng)度受二襯作業(yè)臺(tái)車長(zhǎng)度影響極大，92.4%檢測(cè)出的脫空病害縱向長(zhǎng)度≤9 m；襯砌背后脫空高度與二襯厚度密切相關(guān)，99.1%檢測(cè)處的脫空病害高度＜40 cm。

【關(guān)鍵詞】：隧道襯砌；脫空；無(wú)損檢測(cè)；探地雷達(dá)

【中圖分類號(hào)】：U451 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）06-09-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.003

Research on the Characteristics of Voids Behind Tunnel Linings Based on Ground Penetrating Radar Non-Destructive Testing Technology

【Abstract】： To uncover the distribution patterns of delamination behind the lining and provide guidance for professionals in the field， this study combines engineering surveys with on-site inspections to investigate the characteristics of delamination in tunnel linings. The results show that delamination behind the lining is predominantly concentrated in the crown and intrados， accounting for as much as 93% of the recorded data，the longitudinal length of delamination behind the lining is heavily influenced by the length of the secondary lining operation trolley， with 92.4% of detected delamination defects having a longitudinal length of ≤9 m，the height of delamination behind the lining is closely associated with the thickness of the secondary lining， with delamination defects detected in 99.1% of cases having a height of less than 40 cm.

【Key words】： tunnel lining；voids behind；non-destructive testing；ground penetrating radar

截至2021年，我國(guó)隧道工程總里程數(shù)已達(dá)24 698.8 km，平均年增長(zhǎng)里程達(dá)1 199.7 km，龐大的體量給管養(yǎng)工作帶來(lái)巨大壓力。目前，隧道工程病害檢測(cè)作業(yè)主要有表觀病害檢測(cè)與內(nèi)部缺陷檢測(cè)。內(nèi)部缺陷檢測(cè)技術(shù)中，探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用最廣泛。

探地雷達(dá)是以不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異性為基礎(chǔ)，利用電磁波在不同介電常數(shù)的介質(zhì)間產(chǎn)生反射與散射來(lái)確定目標(biāo)體分布規(guī)律的一種無(wú)損探測(cè)方法。閆永峰[1]利用探地雷達(dá)對(duì)某水利工程隧道開展檢測(cè)，論證了探地雷達(dá)在襯砌脫空質(zhì)量檢測(cè)中的顯著效果。張小明[2]對(duì)存在脫空病害的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行地電模型正演模擬，揭示了探地雷達(dá)圖像特征與病害的關(guān)系。許德根等[3]利用數(shù)值模擬，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)探地雷達(dá)脫空區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確解譯。葉煜輝[4]基于深度學(xué)習(xí)對(duì)探地雷達(dá)病害檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，成功建立了可準(zhǔn)確反演病害類型的智能算法。卿軒等[5]為解決探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)中圖像解譯工作高度依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的問題，結(jié)合工程試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)襯砌脫空部位進(jìn)行正演模擬。洪俊奎[6]分析了蘭渝鐵路某隧道襯砌脫空原因并給出了針對(duì)性的處治措施。李福海等[7]通過模型試驗(yàn)，研究了隧道襯砌脫空病害對(duì)二襯受力分布規(guī)律的影響。

大量研究工作側(cè)重于分析脫空病害成因、脫空病害在探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)中的表征形式；少有關(guān)注襯砌脫空病害數(shù)據(jù)，建立襯砌脫空病害特征及分布規(guī)律，以供運(yùn)管單位與研究人員開展病害對(duì)隧道安全性影響分析的研究。本文利用探地雷達(dá)對(duì)西南地區(qū)10座公路隧道襯砌進(jìn)行病害檢測(cè)，對(duì)襯砌脫空病害分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 襯砌脫空病害成因

隧道襯砌脫空指在隧道襯砌背后出現(xiàn)未填實(shí)或填實(shí)不密實(shí)的區(qū)域，形成空洞，導(dǎo)致襯砌的穩(wěn)定性和安全性受到威脅。襯砌脫空病害主要成因可分為以下幾類。

1）施工工藝

隧道穿越地層時(shí)，圍巖參數(shù)沿隧道軸線方向分布存在差異，這就要求爆破參數(shù)需隨隧道進(jìn)尺動(dòng)態(tài)更新，形成“一炮一設(shè)計(jì)”。實(shí)際施工過程中因成本、施工人員能力等原因，往往全過程僅采用一種爆破參數(shù)，導(dǎo)致光面爆破效果較差，超欠挖嚴(yán)重，甚至初支的噴射混凝土無(wú)法使揭露圍巖表面平整。這種情況下掛設(shè)防水布時(shí)，防水布極難與初支密貼，易形成空腔或褶皺。見圖1。

此外，澆筑二襯期間，若混凝土在模板臺(tái)車內(nèi)流動(dòng)距離過長(zhǎng)、混凝土方量供應(yīng)不足、混凝土振搗不充分、泵送壓力不足、高低位泵送、預(yù)留排氣孔堵塞而形成氣囊等，也極易形成脫空。見圖2。

2）地質(zhì)條件

（1）軟弱地層。當(dāng)隧道穿越軟弱地層尤其是黏土、泥質(zhì)地層或松散堆積層時(shí)，會(huì)增加襯砌脫空的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)檫@些地層強(qiáng)度較低，容易發(fā)生不均勻沉降與變形。

（2）斷層帶。隧道穿越活動(dòng)斷層帶時(shí)，斷層帶的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致地層位移，進(jìn)而引起襯砌脫空。

（3）喀斯特地貌?？λ固氐孛驳貐^(qū)極易出現(xiàn)襯砌脫空病害，受地下水溶蝕作用，巖體極易形成洞穴或空洞。隧道穿越可溶性巖石地層時(shí)，地下水可能會(huì)通過巖石空洞、裂隙進(jìn)入隧道，與襯砌發(fā)生反應(yīng)（硫酸根離子），引發(fā)襯砌脫空。此外，地下水的沖蝕還會(huì)帶走襯砌背后的充填材料，形成空腔。

（4）隧道使用環(huán)境。當(dāng)隧道使用環(huán)境中存在較大振動(dòng)、沖擊等外力作用時(shí)，可能導(dǎo)致襯砌內(nèi)部松動(dòng)、開裂，形成空洞。

（5）維護(hù)保養(yǎng)。隧道襯砌維修保養(yǎng)不當(dāng)是襯砌脫空最常見的原因?；炷辆哂惺湛s徐變特性，隧道服役時(shí)間較長(zhǎng)后襯砌與圍巖或襯砌與防水板之間極易出現(xiàn)空隙。如果襯砌的定期檢查、修復(fù)與加固等工作未及時(shí)開展，則會(huì)導(dǎo)致脫空進(jìn)一步發(fā)育。

2 檢測(cè)方案及工作流程

探地雷達(dá)探測(cè)參數(shù)設(shè)置對(duì)病害識(shí)別影響極大。一般來(lái)說(shuō)，探測(cè)雷達(dá)檢測(cè)時(shí)中心頻率越高，檢測(cè)深度越低，得到的圖像越清晰。因?yàn)楦哳l率的電磁波更容易被地下目標(biāo)散射或反射，穿透能力較差；較低的中心頻率能夠提供更大監(jiān)測(cè)深度，但低頻電磁波的分辨率較低，因此獲得的圖像更模糊。本次監(jiān)測(cè)使用的探地雷達(dá)為SIR-3000系列。見表1。

隧道襯砌厚度檢測(cè)時(shí)，通常要求縱向探測(cè)分辨率較高，常采用中心頻率在400 MHz及以上的天線；但考慮到高頻電磁波的衰減特性在襯砌脫空檢測(cè)中受干擾較大，所以在檢測(cè)過程中選擇一組高頻（900 MHz）及一組低頻（400 MHz）天線配合使用。

檢測(cè)作業(yè)前，根據(jù)施工階段襯砌接觸壓力，運(yùn)營(yíng)期間襯砌裂縫、滲水等病害分布情況，分析最有可能存在襯砌脫空的位置，合理設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)間與測(cè)線方向。見圖3。

3 襯砌脫空規(guī)律

3.1 襯砌脫空分布

共檢測(cè)10條運(yùn)營(yíng)公路隧道，共檢測(cè)出340處脫空。拱頂處共檢測(cè)到195處脫空，兩側(cè)拱腰處共檢測(cè)到122處脫空，兩側(cè)邊墻處共檢測(cè)到23處脫空。拱頂、拱腰、邊墻處脫空數(shù)分別占脫空總數(shù)的57%、36%、7%。這表明二襯在澆筑時(shí)，混凝土受重力作用，邊墻處較難形成脫空；但拱頂及拱腰處檢測(cè)到的脫空病害占總數(shù)的93%，拱頂與拱腰是脫空病害的高發(fā)區(qū)域。見圖4。

若因前期施工資料等缺失而無(wú)法確定測(cè)線方案，可以拱頂至拱腰范圍為主要檢測(cè)區(qū)域。

圍巖為III級(jí)時(shí)，襯砌后出現(xiàn)的脫空病害數(shù)量最少，僅檢測(cè)出59處；圍巖為IV級(jí)時(shí)，襯砌后出現(xiàn)的脫空病害數(shù)量最多，達(dá)到了164處；而圍巖級(jí)別為最差的Ⅴ級(jí)時(shí)，襯砌后出現(xiàn)脫空的數(shù)量略低于IV級(jí)圍巖，共檢測(cè)出117處。見圖5。

考慮到檢測(cè)的10座運(yùn)營(yíng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)均為素混凝土，病害數(shù)量分布情況表明，當(dāng)圍巖情況較好時(shí)，出現(xiàn)脫空病害的可能性較低；當(dāng)圍巖情況較差時(shí)（IV級(jí)或V級(jí)圍巖），出現(xiàn)脫空病害的數(shù)量與圍巖的側(cè)壓力系數(shù)成反比。當(dāng)圍巖側(cè)壓力系數(shù)較大時(shí)（V級(jí)圍巖），作用在襯砌上的水平方向的地應(yīng)力值較大，結(jié)構(gòu)反而不易出現(xiàn)脫空病害。

各圍巖等級(jí)下，拱頂與拱腰都是脫空病害的重災(zāi)區(qū)。其中，IV級(jí)圍巖時(shí)，拱頂處脫空數(shù)量最多，達(dá)到了90處。見圖6。

3.2 襯砌脫空長(zhǎng)度

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)襯砌背后脫空病害縱向長(zhǎng)度分布情況進(jìn)行分析，為便于描述，將縱向長(zhǎng)度＜3 m的脫空稱為I類，3～6 m的稱為II類，6～9 m的稱為III類，9～12 m的稱為IV類，縱向長(zhǎng)度≥12 m的稱為V類。92.4%檢測(cè)出的脫空病害縱向長(zhǎng)度≥9 m。其中II類的數(shù)量最多，共檢測(cè)出169處，占總數(shù)的49.7%，縱向長(zhǎng)度超過12 m的數(shù)量最少，占總數(shù)的1.7%。見圖7。

分別對(duì)分布在拱頂、拱腰及邊墻處的脫空病害縱向長(zhǎng)度分布區(qū)間進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與拱頂和邊墻處相比，拱腰處II類脫空占比極高，達(dá)63.16%，其他兩處的II類脫空僅為42.5%和40.48%。拱頂與邊墻處II類脫空占比雖高，但與I類、III類整體數(shù)量接近。見圖8。

拱頂縱向脫空長(zhǎng)度的平均值達(dá)5.88 mm，遠(yuǎn)超拱腰、邊墻處脫空長(zhǎng)度的平均值；但拱頂脫空縱向長(zhǎng)度離散程度極大，拱頂部位長(zhǎng)度最大值為14.2 m，最小值僅有0.48 m，標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)分別達(dá)到了2.78 m、47.28%。表明拱頂縱向脫空長(zhǎng)度離散程度極大。見表2。

檢測(cè)結(jié)果中，超過98%的脫空病害縱向長(zhǎng)度處于0～12 m，分析原因是山嶺隧道施工常用的二襯養(yǎng)護(hù)臺(tái)車長(zhǎng)度為6、9、12 m，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)臺(tái)車兩端澆筑效果較好，少有脫空分布，這也與檢測(cè)結(jié)果中大多數(shù)脫空在施工縫處不連續(xù)的現(xiàn)象一致。

3.3 襯砌脫空高度

檢測(cè)出的脫空病害高度以10～20 cm和20～30 cm為主，分別占總數(shù)的29.7%和30.9%。高度≥40 cm的脫空數(shù)量最少，共檢測(cè)出3處，占總數(shù)的0.9%。見圖9。

分別對(duì)分布在拱頂、拱腰及邊墻處的脫空高度分布區(qū)間進(jìn)行分析。與拱頂和拱腰處相比，邊墻處脫空高度均lt;20 cm，其中大多數(shù)脫空高度＜10 cm，占比達(dá)66.7%。拱頂處脫空以高20～30 cm為主，占比高達(dá)35.5%；拱腰處脫空以高10～20 cm為主，占比33.3%。相似的是，拱頂與拱腰處的脫空少有高度≥40 cm，這與山嶺公路隧道二襯厚度大多為40 cm的實(shí)際情況相符。見圖10。

拱頂處脫空高度平均值為22.74 cm，與拱腰、邊墻處脫空平均值對(duì)比，增幅分別為28.7%和133.5%。與邊墻處相比，拱頂與拱腰處脫空高度離散程度更大。其中，拱頂處的極差達(dá)到42 cm，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了8.55 cm。拱頂處脫空病害對(duì)結(jié)構(gòu)安全威脅最大，因此，運(yùn)營(yíng)隧道有對(duì)脫空病害展開檢測(cè)的必要。見表3。

4 結(jié)論

1）隧道襯砌脫空病害普遍存在且成因復(fù)雜。為充分保障隧道安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)按一定時(shí)間頻率開展隧道脫空病害檢測(cè)工作。

2）襯砌脫空病害主要分布在拱頂、拱腰處，邊墻處少有脫空，少數(shù)脫空規(guī)模也不大。

3）拱頂脫空病害頻發(fā)且脫空規(guī)模離散程度大。最大脫空縱向長(zhǎng)度與施工工藝密切相關(guān)，最大脫空高度與襯砌厚度密切相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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