探地雷达检测技术在隧道初期支护检测中的应用.pdf

开挖隧道过程中地层的初始应力失去原有平衡 隧道初期支护可以抵制这种不平衡对隧道长期稳定起到关键作用因此隧道初期支护的质量检测非常重要 结合工程实例研究了隧道工程初期支护的问题将雷达检测运用到隧道初期支护检测中选择了有效的雷达检测频率确定了合适的介电常数及测线布置位置实现隧道初期支护的有效检测并针对项目隧道初期支护检测的实际问题提出了解决方法为类似工程提供参考 关键词:隧道工程初期支护雷达检测喷混设计中图分类号:.文献标识码:在设计、施工、运营等过程中许多隧道存在不同程度的安全隐患 例如隧道渗漏水、衬砌掉块、厚度不足、开裂、脱空以及不密实等这些安全隐患是困扰铁路、公路健康运营的一个重要因素 因此要系统研究总结隧道安全隐患的特征完善隧道安全隐患的测评方法制定出符合我国隧道特点的技术体系满足信息化目标管理的需要提高隧道安全隐患的治理水平 国内研究人员对衬砌检测试验进行了大量研究黄玉华等从混凝土出发研究影响介电参数的因素国外的研究对探地雷达数据处理理念进行了深入的总结和探讨得到了丰富的成果 但对于检测流程中规律化、规范化、精细化方面出现的各类问题特别是误差原因分析、缺陷成因分析很少有人涉及从隧道施工角度出发分析隧道初期支护施工缺陷出现的位置及其成因提出了采用雷达检测时应该注意的问题及处置措施 隧道初期支护及检测特点.不同围岩条件下的初支设计开挖隧道会导致其地层的初始应力失去平衡围岩应力释放最终引起空洞变形变形过度引起围岩松动进而可能会导致隧道坍塌 隧道的支撑多采用钢、混凝土为洞内围岩提供抗力阻碍其变形 隧道初期支护最常用锚杆、喷混、钢拱架、钢筋网等现将铁路隧道常用的支护结构进行归总如表、表 所示表 普通铁路隧道初支结构归总表单线铁路隧道/双线铁路隧道/围岩级别喷射混凝土厚度/拱墙仰拱钢架喷射混凝土厚度/拱墙仰拱钢架.必要时设置.拱墙、仰拱.必要时设置.拱墙、仰拱表 高速铁路初支结构归总表围岩级别双线铁路隧道 /喷射混凝土部位 厚度/钢架规格间距/拱墙.拱墙.(偏压)拱墙.型钢.(拱墙)拱墙.格栅.(拱墙)(加强)全环.格栅或型钢.(全环)(偏压)全环.型钢.(全环)全环.格栅或型钢.(全环)(加强)全环.型钢.(全环)(偏压)全环.型钢.(全环).初支检测钢拱架尺寸的归总初支检测的主要内容有:喷混凝土厚度、钢拱架间距以及喷混与围岩之间是否有脱空 从表 可以看出对于围岩较好的、级围岩来说正常段喷混已满足承载力要求可不设钢拱架钢拱架的设置基本处于级偏压及其以上围岩段而喷混的厚度在隧道形式和围岩级别既定条件下可通过设计来把握 年 第 期 北方交通目前格栅断面多由 或 个主筋组成 主筋较为常见 主筋架构中的钢筋完全相同其抗弯和抗扭惯性大于相同的等质等高三根主筋因而在软岩或土质、砂质地层的双线隧道常被应用 其在客运专线隧道中应用较多其拱架宽度 三根主筋呈正三角形是由上截面双筋和下截面单筋组成上主筋截面面积之和尽量与下主筋总面积相等多用于单线隧道主要用于普通单线铁路隧道宽度 其主筋直径不小于 格栅拱架示意图如图 所示图 格珊拱架断面示意图型钢为钢性拱架作为衬砌其刚度和硬度都较为突出能抵抗围岩周围强应力因而可作临时支护也可以作为永久性衬砌设置在混凝土中 常代替格栅应用于濒临崩溃的围岩洞室中即需要马上承载的工程环境 但这种钢支撑与喷射混凝土的粘合不牢固混凝土喷射时总会产生间隙混凝土无法附着甚至开裂从而导致出现衬砌不稳定 目前隧道初支中使用最多的还是工字钢其截面尺寸如图 所示 初期支护钢拱架雷达图像.探地雷达检测原理探地雷达()是一种关键的无损检测手段又称为透视雷达或脉冲雷达 目前在我国隧道建设过程中广泛应用根据雷达天线频率的不同主要有隧道掌子面超前地质预报、隧底岩溶探测、隧道初期支护及二次衬砌检测并得到很好的检测效果 探地雷达探测是利用高频脉冲电磁波的反射波探测地下目标分布和特征图 工字钢尺寸及其布置图的技术是一种用于探测体内不可见目标或界面的电磁技术地质雷达的目的是通过电磁波的辐射和接收来测量目标 根据电磁波理论探测介质的波阻 影响电磁波的传播速度与效率探测介质的介电常数 和波阻 有一定的数学逻辑关系即:/当探测对象的介电属性产生差异时电磁波穿越到差异介质界面就会产生反射现象最终形成发射电磁波通过接收天线所接收达到对结构界面的识别波阻抗 与反射系数 的关系式为:()/()()/()()反射系数 的值可以直接表明探测介质的介电差异程度.钢拱架雷达图像钢拱架信号的形成实际上是一个全反射的过程电磁波传播到介电常数接近无穷大的钢筋表面时必将产生全反射在地质雷达图像上产生的形状为抛物线式的特征信号呈月牙状如图 所示然而抛物线的顶点正好在钢拱架的外表面 由于围岩的介电常数和喷射混凝土差异较小实际测量中很难发现其分界面这对于初支喷混的厚度很难把握加之初支喷混表面的不平整地质雷达天线很难在其表面贴实造成电磁波能量耗损很大采集质量下降所以很难准确地判断其内部构造 隧道初支的施工顺序为:开挖完毕之后先喷混凝土厚度约然后立拱架喷射初支混凝土封闭拱架经过总结发现地质雷达数据采集对于钢拱架的外顶面分辨很清楚即各异常信号(抛物线)的顶点各隧道的拱架尺寸是既定的 围岩级别的差异北方交通 年 第 期图 钢拱架雷达剖面图只会通过减小每榀拱架间距来加强支护 所以即使在围岩和喷混差异较小的衬砌段也可以通过计算测出初支喷混的厚度如图 所示图 初支喷混厚度分布示意图 工程实例.工程概况南门口隧道位于福建省龙岩市境内进口里程 位于龙岩市新罗区西坡镇联村出口里程 位于龙岩市新罗区龙门镇湖一村隧道全长 隧道洞身最大填埋深 隧道洞身段为剥蚀低山区 隧道设辅助坑道 处南门口隧道 号斜井与正线相交里程 长度为 南门口隧道 号斜井与正线相交里程 长度为 南门口隧道 号斜井与正线相交里程 长度为 本次检测为南门口隧道 号斜井检测里程为 共计 喷混设计参数见表 此段围岩为级初支衬砌内为格栅拱表 喷混设计参数表序号里程桩号左边墙/左拱腰/拱顶/右拱腰/右边墙/.架间距 格栅宽度为.检测方法()测线布置根据铁路隧道衬砌质量无损检测规程()的规定在本次初期支护喷射混凝土厚度及背后有无空洞的检测中布置 条测线(不含仰拱测线)见图 分别是拱顶测线、左右拱腰、左右边墙测线天线中心频率为 测程 根据检测经验和现场喷混的干湿度确定本次介电常数取 /图 南门口隧道 号斜井检测线示意图()检测结果主要检测内容为喷混厚度、拱架间距、喷混与围岩的接触情况 检测所得雷达剖面图如图 所示从图像界面来看很难分辨出围岩与初支喷混的分界面很难准确测定初支喷混厚度 此段围岩为级在图像上可清晰看到钢拱架的强反射信号在 段内出现了 次异常信号可得钢拱架间距为/设计间距为 误差在 以内属正常 纵向上钢拱架距喷混表面的距离可清晰量定 此段设计钢拱架宽度为 初支封面喷混为(理论设计值)所以可通过雷达测距计算此段喷混厚度如表 所示由于初喷封面混凝土(设计值)厚度的不确定性未将其计算在内从整体上看此段喷混厚度满足设计要求 结论基于项目实际状况分析探讨了隧道检测问题选择有效的雷达检测频率确定合适的介电常数以及选择合适的测线布置位置实现对隧道初期支护喷混厚度等问题的有效检测 年 第 期 吕春林:探地雷达检测技术在隧道初期支护检测中的应用图 雷达剖面图右拱腰测线图表 喷混计算与设计对比表序号距离拱架 拱架 拱架 拱架 拱架 拱架 拱架 拱架 拱架至喷混表面距离/折合计算厚度/设计厚度/参考文献 薄会申.地质雷达技术实用手册.北京:地质出版社.黄玉华李超李文豪.用探地雷达法评估混凝土强度.国外建材科技():.李权.软岩大变形公路隧道变形规律及控制技术研究.成都:西南交通大学.伍浩.探地雷达技术进行隧道衬砌质量检测的机理及精度分析.长沙:长沙理工大学.陈建平.隧道衬砌质量地质雷达检测影响因素研究.西安科技大学学报():.(.).北方交通 年 第 期