近年来，随着我国快速客运交通以及市政工程建设的迅速发展，越来越多的铁路、公路隧道开始涌现，伴随而来的隧道二次衬砌质量问题层出不穷。科学、有效地探查二次衬砌质量问题，经济、合理地预防和处治二次衬砌质量缺陷，能极大地降低隧道病害的发生，保证隧道施工及运营期间的安全。地质雷达以其特有的连续、无损、高效、便携、高精度等特点，在隧道衬砌质量检测中广泛应用。

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　　地质雷达工作基本原理

　　地质雷达作为一种浅层工程物探方法的新技术，主要由主机、天线、输出设备、测距系统及配套解译软件等部分组成。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，地质雷达发射天线T以宽频带（106Hz~109Hz）短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当其遇到不均匀体(电性变化界面)时产生反射回波被另一天线R接收，其反射系数由介质两侧的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行预处理、对图像文件进行分析比对和解译，达到识别隐蔽目标物、建立地下介质的结构模型的目的。

　　地质雷达在介质中传播见图1.电磁波在特定介质中的传播速度v是已知的，对于特定的天线系统，收发距x是固定的，因此根据地质雷达记录上的反射波与入射波的时间差t，即可根据下式算出异常目标物的埋藏深度h：

　　收发距x一般极小，因此实际工程应用中，埋藏深度经常用h=vt/2近似得到。

　　雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为：

　　式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

　　反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。

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　　地质雷达在隧道二次衬砌检测中的应用

　　2.1 工程概况

　　××隧道位于福建省福州市境内，起始里程DK76+944，终止里程为DK78+805，全长1861m。隧道为双线铁路隧道，设计时速200km/h，隧道内线间距为4.4～4.6m，采用有砟轨道碎石道床，轨道结构高度高766mm。隧道采用马蹄形断面，全包防水，采用复合式衬砌形式。

　　2.2 现场检测

　　现场测试采用劳雷SIR-4000地质雷达及配套的屏蔽天线进行。检测时，天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线均匀滑动，滑动时天线不可停顿或脱开。

　　1）天线选型

　　针对本次检测的具体情况，从分辨率、穿透深度和稳定性三个方面综合考量，选择了900MHz的屏蔽天线。

　　2）记录参数的确定

　　在选定测量天线后，进行了记录参数选取试验。根据探测深度及目标物尺寸等，设置时窗深度为15ns，采样点数为512，扫描速度为100扫描/秒，选取时间测量模式。

　　3）测线布置

　　根据测试要求，雷达测线沿隧道纵向布置，共布置5条连续测线，分别为：拱顶、左右拱腰、左右边墙。具体测线位置见图2。

　　4）检测流程

　　①为保证点位的准确，在检测工作开展前，提前在隧道的边墙上每10m做好标记，每50m设置里程桩号标识，安排清理隧道内的杂物，准备好衬砌台车等工作台架。

　　②波速标定。电磁波在介质中传播的速度主要取决于介质的介电常数，材料不同其参数也不同，选择适当的介电常数对于获取目标体准确的深度信息非常重要，本次二衬质量检测选取洞口电缆槽厚度可量测部位进行波速标定，确定电磁波波速约为0.12m/ns，介电常数约为6.26。

　　③隧道检测工作开始后，检测工程师负责设备操作及记录（测线位置、里程桩号、标记间隔、干扰与异常），并负责现场协调，并安排专人负责天线数据采集及相关辅助工作(照明、车辆调度等)。

　　2.3 检测数据处理与分析

　　1）数据分析流程及结果

　　采集的连续雷达扫描数据，经过对数据文件预处理后，采用配套软件Radan7进行分析解译，常见的处理流程包括：确定时间零点→背景去除→带通滤波→增益→反褶积→偏移归位→2D交互式解释等。

　　隧道衬砌质量缺陷往往伴随着区域介质的变化，如空洞、脱空、不密实、裂缝等混凝土介质中出现空气介质层，而渗漏水则会造成混凝土衬砌中产生含水层，电磁波通过这些介质跃变层时会产生相应的反射异常，电磁波的振幅与极性、频谱特征、同相轴形态特征会出现明显变化，这些变化最终会在电磁波连续测线组成的灰度图上反映出来。通过对检测数据进行分析，本项目共计发现隧道衬砌质量问题397处，详见表1.

　　2）二次衬砌质量缺陷典型图像

　　常见的二次衬砌质量缺陷包括空洞、脱空、不密实、衬砌厚度不足等。

　　①空洞、脱空判释要点：

　　空洞在地质雷达图像上显示为孤立体信号，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，两组信号时程差较大。

　　脱空在地质雷达图像上显示为出现多次反射，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。典型的二次衬砌脱空图像见图3.

　　②不密实判释要点

　　不密实在地质雷达图像上显示为凌乱、不连续的强反射能量团块状异常，电磁波波形杂乱，同相轴错断[1]。典型的二次衬砌不密实图像见图4.

　　③衬砌厚度不足判释要点

　　衬砌厚度不足判断的前提是准确判断二次衬砌与初支喷射混凝土的交界面，进而得到二次衬砌的准确厚度。由于喷射混凝土与二次衬砌混凝土的电性参数相差较小，如它们之间接触较好，则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。因此交界面的判断则需要以二次衬砌混凝土中的第二排钢筋网的下表面或者喷射混凝土中的初支钢架、格栅拱架的上表面等作为参照物，如二次衬砌混凝土中同时出现脱空，亦可通过空气层的上表面来判断。钢架、格栅拱架在地质雷达图像上显示为分散的或成对出现的月牙形强反射信号，钢筋为连续的小尖波强反射信号。典型的隧道二次衬砌厚度不足图像见图5.

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　　二次衬砌质量问题产生的原因分析

　　3.1 二次衬砌脱空产生的常见原因

　　1）初期支护喷射混凝土施工质量较差

　　初支光爆效果差，开挖面不平顺，超挖严重，初期喷射混凝土作业时，喷射厚度不足或超挖选用回填材料不当，不能完全填充围岩表面的坑洞，初支钢架或格栅拱架背后未回填密实，二次衬砌难以与初期支护密贴，造成脱空。

　　2）防水板铺设质量欠佳

　　如隧道初期支护表面不平顺，防水板铺挂过紧，防水板未与初支面密贴，会导致二次衬砌混凝土浇筑时，混凝土因防水板阻隔无法填充初期支护表面凹槽或坑洞，形成二衬背后脱空[2]。

　　3）二次衬砌混凝土浇筑工艺控制不当

　　二次衬砌混凝土拌制或配合比不当，会导致混凝土在浇筑过程中产生收缩。衬砌台车支撑不牢固或刚度不足，脱模时间过早，二衬混凝土下沉过大。注浆工艺不当：泵送混凝土压力不足、泵送角度不合理、混凝土流动性不够、浇筑间隔时间过长，拆管过早、封口不当等，都会导致二次衬砌背后脱空或空洞[3]。

　　3.2 二次衬砌厚度不足的常见原因

　　二次衬砌厚度不足的常见原因包含：

　　①测量放线精度低或爆破效果不理想，围岩侵限造成二次衬砌厚度不足；

　　②预留变形量不足，围岩变形量过大；

　　③初支喷射混凝土局部过厚，二次衬砌施工时未进行有效处理；

　　④二次衬砌背后脱空伴随的二次衬砌厚度不足；

　　⑤处理塌方过程中，对个别突出的岩石或初支拱架未进行处理，造成二衬厚度不足。

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　　二次衬砌质量问题专项处治

　　4.1 衬砌厚度不足专项整治方案

　　衬砌厚度不足整治方案设计时，首先必须对厚度不足成因进行区分：①围岩欠挖导致衬砌厚度不足；②脱空导致厚度不足。

　　根据二次衬砌厚度值，衬砌厚度不足整治遵循如下原则：①二次衬砌厚度大于设计厚度的90%，衬砌表面无裂损情况，采取长期观察、监测处理。

　　②二次衬砌厚度为设计厚度的80%～90%，且缺陷段测线长度小于2m，衬砌表面无裂损情况，采取长期观察、监测处理。当拱部140°范围内有三条及以上（同一断面）测线显示衬砌厚度为设计厚度的80%～90%时，采取拱部140°范围凿除二次衬砌旧混凝土，植筋，重筑设计厚度的混凝土处理。

　　③二次衬砌厚度为设计厚度的80%～90%，且缺陷段测线长度大于2m，如果拱部140°范围二次衬砌存在缺陷，采取拱部140°范围凿除旧混凝土，植筋，重筑设计厚度的混凝土处理；如果边墙二次衬砌存在缺陷，采取缺陷范围凿除旧混凝土，植筋，重筑设计厚度的混凝土。

　　④二次衬砌厚度小于设计厚度的80%，如果拱部140°范围二次衬砌存在缺陷，采取拱部140°范围凿除旧混凝土，植筋，重筑设计厚度的混凝土处理；如果边墙二次衬砌存在缺陷，采取缺陷范围凿除旧混凝土，植筋，重筑设计厚度的混凝土。

　　⑤当凿除衬砌边缘距离环向施工缝小于1m时，需将凿除衬砌边缘与环向施工缝之间不足1m的衬砌一并凿除处理；拱部衬砌凿除宽度不小于50cm。

　　素混凝土拱部140°拆换处理流程如下：脱空位置钻孔检查→确定欠厚拆换范围→设置拱墙钢架临时支撑→拆除欠厚范围拱部140°衬砌混凝土→施工缝处理→检查验收→铺设防水材料→检查验收→植入钢筋→检查验收→模筑二衬混凝土→回填灌浆。拱部凿除示意图详见图6，纵向素混凝土衬砌厚度不足整治示意图见图7，素混凝土植入钢筋示意图见图8。

　　4.2 二次衬砌背后脱空、不密实专项整治方案

　　二次衬砌背后脱空整治方案设计时，首先应判断：

　　①脱空出现二衬与防水板之间，还是出现在初支与防水板之间；

　　②如脱空同时伴随着衬砌厚度不足设计厚度的1/2，应视作衬砌厚度不足，进行处理。

　　二次衬砌背后脱空采用注浆的方式进行处理，处理要点如下：

　　①对脱空和不密实范围进行物探和钻孔验证，钻孔验证数据为主，确定准确位置及范围。

　　②衬砌钻孔、安装空口管。确定脱空和不密实范围后，对相应部位进行钻孔，注浆孔采用φ45～50mm钻孔，交错布置，布置间距为1.0m×1.0m，根据空洞位置判断实际钻孔深度是否刺破防水板；注浆时孔口设置φ32带丝扣的孔口管，并用植筋胶锚固在注浆孔内。孔口和孔口管安装示意图详见图9。

　　③注浆。

　　注浆前应进行吸水试验，确定注浆参数。浆液配置采用M30微膨胀水泥砂浆，水灰比0.6:1~1:1，灰砂比1:1~1:2.5.衬砌背后注浆时隧道纵向应由下坡至上坡方向依次进行，采用逐渐加压式注浆，至最大压力值0.2MPa，注浆速度20~40L/min。当空洞体积≤1.5m3时填充水泥砂浆，＞1.5m3时填充C25细石砼。注浆过程中，相邻注浆孔应设置孔口塞，以免跑浆。

　　④注浆孔的处理。

　　注浆完成后，先凿出10cm×10cm×8cm（长×宽×深）楔形孔（孔底长度尺寸为13cm×13cm），将孔清洗干净后采用膨胀水泥砂浆封堵注浆孔，胶凝材料（水泥、膨胀剂和掺和料的总量）最少用量为350kg/m，膨胀剂掺量不宜大于15%，不宜小于10%，水胶比不得大于0.5。注浆孔封堵示意图详见图10。

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　　结束语

　　隧道二次衬砌施工过程中常常出现空洞、脱空、厚度不足等质量问题，地质雷达因其特有的无损、高效的特点在二衬缺陷检测中广泛引用。只有从初支源头进行控制，加强二次衬砌浇筑质量，才能很好预防二衬缺陷的产生。注浆回填及凿除植筋是处理二衬缺陷的常见方法，作业时必须加强过程控制，才能根治二衬质量问题，防止隧道病害的产生。