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GPR 探地雷达在隧道衬砌检测中的应用

发布时间:2022-05-07浏览:451次

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,两组信号时程较大[1]

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不密实

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脱空

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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]

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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]

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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]

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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]

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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]

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溶洞回填片石雷达图[3] 

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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。 

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                       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。          

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国内某隧道现场图像

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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。

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GPR-slice 处理雷达数据


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彻底,存在空洞;右侧钢筋网缺失,衬砌背后存在空洞[3]

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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]

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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。


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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。

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新加坡CET隧道现场检测

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新加坡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]

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衬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]


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空洞形成示意图[3]

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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]

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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]

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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。

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隧道结构示意图

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隧道仰拱钢筋铺设

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现场雷达监测图

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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]

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隧道仰拱空洞、不密实[3]




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