盾构隧道壁后注浆质量无损检测研究

萧健澄

(广州铁路(集团)公司，广东 广州 510600)

盾构法施工经过多年的发展，无论是施工技术还是施工机械方面均已相当成熟，盾构技术已开始应用于客运专线工程项目中，特别是以盾构法施工穿江越河的尝试不断增多。

壁后注浆是盾构法隧道施工中必不可少的重要环节之一。浆液固结硬化后起到充填盾构外壳与管片间的空隙，并提供一定承载力，稳定管片衬砌的作用。然而，在实际工程中，管片背后注浆由于浆液的流动性、泌水性、渗透性和稳定性，以及隧道所处地层特性等原因，浆液在管片背后分布情况难以预测，存在壁后注浆的实际效果难以控制等技术难题，缺乏切实可靠的控制手段。

为保证过江隧道主体结构的安全，选择试验段对隧道的壁后注浆厚度进行检测是十分必要的，但目前国内尚没有成熟的壁后注浆效果检测手段。针对这一问题，本文以现场实际试验为手段，采用探地雷达对试验段进行壁后注浆厚度无损检测。试验探测过程中，采用不同类型雷达、不同中心频率天线进行探测，分析其探测效果，为隧道全线的壁后注浆检测提供技术支撑。

1 工程概况

狮子洋隧道位于广深港客运专线东涌站至虎门站间，穿越珠江入海口的狮子洋，为单洞双线结构。一般地段两线间距为22 m，隧道土建工程按列车速度目标值350 km/h设计。隧道全长10.8 km，其中盾构段9.34 km、明挖段1.46 km，最大水头约67 m。盾构隧道内径9.80 m、外径10.80 m，刀盘直径11.18 m。隧道穿越地层较复杂，软土层、软硬不均地层、全断面软岩、硬岩等地层交错。

2 检测原理及设备

2.1 检测原理

探地雷达是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术，它利用发射天线将高频电磁波(10～5 000 MHz)以宽频带短脉冲形式送入介质内部，经目标体的反射后回到表面，由接收天线接收回波信号。电磁波在介质中传播时，遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，其传播路径、电磁场强度及波形随所通过的介质的电性性质及几何形态而变化，根据接收的反射回波的双程走时、幅度、相位等信息，进行信号处理和解析，从而推断地下介质的形态和性质，识别地下目标体。

雷达探测剖面图常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目标体。在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达成像剖面，根据雷达剖面图像，可以判断反射界面或目标体。其探测原理如图1所示(A为不同介质中反射幅)。

图1 雷达探测原理

通过对管片的连续扫描，探地雷达发送的电磁波在管片、壁后注浆层及围岩中传播，因各结构层的介电性质和几何形态不一样，其电磁响应均不一样，通过对响应信息的采集和分析，可判断各结构层的界面及其分布，以雷达剖面图直观呈现，从而获得不同部位壁后注浆厚度，实现对隧道壁后注浆效果的评价。

2.2 检测设备

为达到最佳的检测效果，本次试验选用美国劳雷公司生产的SIR-20型双通道高速地质雷达和加拿大Sensor＆ Software公司生产的Noggin250型Pulse EKKO-PRO探地雷达，并采用不同中心频率天线进行扫描试验，对检测效果进行比较。

本次所检隧道管片混凝土厚度为50 cm，考虑分辨率需求及操控方便等因素，SIR-20型雷达采用400，900 MHz天线进行试验探测，Noggin250型雷达采用250，500 MHz天线进行试验探测。

3 测线布置

本次试验期间，由于隧道仍在掘进施工中，右边墙上有盾构机专用高压电缆、进浆及出浆管等设施，对雷达信号有很强的电磁干扰，限制了试验测线的布置。

根据隧道现场情况及地质条件，选取了100 m软土地层和100 m软硬不均地层试验段作为雷达试验探测线，布置了如图2所示的3条测线，各测线采用的天线采集如表1所示，图3为拱顶探测数据采集情况。

表1 测线采集天线频率 MHz

图2 测线布置位置

4 探测结果

图3 拱顶测线雷达仪数据采集

通过对采集数据的分析，采用了包括水平滤波、垂直滤波、自动补偿增益调节等处理方法，压制干扰波，突出各结构层的反射波信息。从同相性、振幅显著性增强、波形特征及时差变化规律等方面进行识别，得到相应的雷达剖面图。结果显示，SIR-20型双通道高速地质雷达探测，因管片内钢筋高度密集，对雷达天线发射的电磁波有很强的屏蔽作用，雷达图无法分辨管片与围岩的界面和管片与其背后空隙的界面，难以对注浆情况作出判断，如图4所示。Noggin250型探地雷达探测，500 MHz天线探测的雷达图像，管片与注浆层之间的反射清楚，反射界面也较强，注浆的外边界反射同相轴均匀，无错断现象，总体上能反映出注浆层的厚度变化，如图5所示。250 MHz天线效果较500 MHz天线差。

图4 SIR-20型雷达剖面

图5 Noggin250型雷达剖面

根据Noggin250型探地雷达500 MHz天线探测的雷达图像分析显示，试验段检测范围内管片壁后注浆较均匀，拱顶位置注浆层的厚度在19～20 cm范围内变化，而底边墙及底部位置处的注浆层厚度在19～21 cm范围内变化，均已达到设计要求。

5 结论

通过对狮子洋隧道局部试验区间范围管片壁后注浆的专项检测可得出以下结论:

1)通过不同雷达及频率天线的探测试验比较，采用Noggin250型500 MHz天线探地雷达方法进行狮子洋隧道壁后注浆质量检测，管片、注浆层(水泥砂浆层)和围岩等各个电性反射界面清楚连续，探测深度和精度都能达到要求，探测方法可行。

2)探地雷达探测管片壁后注浆质量时可以取得良好效果，与其他物探检测方法相比，利用探地雷达检测盾构隧道注浆效果，具有省时、省力且更为科学的优势。通过对探地雷达实测图像进行分析处理，可较为准确地确定注浆体分布、缺陷及其厚度。实践表明，在探测工作中选取适当的探地雷达和天线频率，采用多频段工作频率进行组合探测，更有利于精确确定探测目标体的分布和缺陷位置。

［1］徐延召，侯建军．高水压下超深盾构施工技术［J］．隧道建设，2011，31(2):235-238．

［2］杜军．盾构隧道壁后注浆探测图像识别及沉降控制研究［D］．上海:同济大学，2007．

［3］田海洋．越江公路盾构隧道壁后注浆探地雷达探测试验及应用研究［D］．上海:同济大学，2008．

［4］刘海．隧道探地雷达快速检测天线选型及成像研究［J］．隧道建设，2009，29(2):201-205．

［5］姚云泉，张新刚．探地雷达在世界之窗站隧道中的应用［J］．铁道建筑，2010(8):70-72．

［6］董新平，关风良．探地雷达在隧道衬砌施工质量控制中的应用研究［J］．铁道建筑，2009(5):56-60．