渗水隧道隐伏病害探地雷达探测技术★

刘振东 张 刚 王署强

(1.中国海洋大学，山东青岛 266100;2.山东省交通厅基本建设工程质量监督站，山东济南 250002)

0 引言

渗漏水问题是运营隧道中普遍存在的问题之一，几乎所有的隧道都存在渗漏水的情况，不仅促进混凝土的风化，造成隧道衬砌变形破坏，降低衬砌混凝土强度，影响隧道附属设施的正常使用，减少隧道的使用寿命，而且使得隧道的正常运行存在安全隐患［1］。

隧道在运营过程中由于地质条件、水文条件、施工技术等存在不同，在隧道中存在的隐伏病害形式多种多样，对隧道的安全造成严重影响，在日常使用过程中如何及时、准确的发现和分辨不同类型的病害，是探测的难点。

对于隐伏病害的检测，目前主要有传统检测和无损检测两种方法。由于传统方法如钻孔取芯等对于运营隧道的结构具有一定的破坏性，在隧道中不能全面开展［2］，从而使得对于隐伏病害的反映不够完全。随着科技的不断发展，在隧道病害检测中无损检测技术越来越广泛的受到重视。探地雷达技术以其探测速度快、连续、准确，能及时发现病害的位置与规模的特点，在病害检测中被广泛应用［3］。但是，针对不同病害的检测过程存在随意性，而且在数据解译方面，不同的专业人员对于同一种病害的认识存在差异，这也使得数据解译过程存在多解性，并且缺少整体研究。

本文主要就是要对隧道病害的探测过程进行整体分析，试图建立隧道无损检测的标准流程，构建不同病害的标准异常特征，以提高检测的精确度。

1 隧道渗漏水成因分析

公路隧道大多修建于山区地带，地质条件复杂，渗漏多出现在埋深较浅、节理发育、围岩破碎、裂隙水发育的地段。在灰岩地区，裂隙水较发育，由于隧道的开挖，破坏了原有的地下水系统的平衡，造成水向开挖隧道转移，在转移过程中由于灰岩受到水的侵蚀，在岩层中易渗漏通道，从而在隧道附近形成新的储存点，当衬砌存在缝隙等薄弱区段时，就有可能造成隧道内部渗漏水的情况。除此之外，由于设计的过程中，选址的不当使得隧道通过断层破碎带，使得围岩松动，产生裂隙，形成渗漏水通道［4］。但是，最主要的原因还是人工造成的，由于在衬砌支护及隧道防水处理过程中存在不当的现象，隧道在运营过程中存在施工缝密封条老化、衬砌内排水管道破坏、衬砌钢丝网破坏等病害，为裂隙水形成渗漏通道提供了条件。要减少渗水的危害，关键是要找到隧道的隐伏病害并进行维护处理。

2 隧道隐伏病害探测技术

2.1 探地雷达技术

探地雷达是一种用于探测地下目标体的无损检测技术，探地雷达将高频电磁波以宽频带短脉冲形式向探测目标体发射，由于不同介质体界面存在电性差异，一部分电磁波反射回来，通过记录反射波的反射时间和反射幅度判断目标体的结构和属性。电磁波的反射原理见图1。

图1 探地雷达反射波原理示意图

介电差异是探地雷达检测的基础，在隧道病害中，一般情况下衬砌空洞、回填不密实、脱空及裂缝中都有水或者空气填充，与混凝土存在较大的电性差异，使得信号较明显，便于异常的判读。

2.2 隐伏病害雷达探测方案

在进行隧道隐伏病害检测时，前期的准备工作格外重要，可能使检测工作事半功倍。隧道病害无损检测系统的建立可以为检测工作的开展提供规范，针对病害类型建立一套系统的检测规程，提高工作效率。探测方案中的内容如下:

1)隧道设计资料和施工资料的收集。隧道资料中包含着丰富的可参考信息，包括各区段围岩等级、施工工艺、衬砌厚度、隧道高度等，为测线的布设和天线中心频率的选取提供数据支持。

2)天线中心频率的选择。天线中心频率的选取在工程应用中占据着相当重要的位置，直接决定着探测的准确性，天线中心频率主要受到探测深度、分辨率和探测区环境干扰因素三方面的影响。天线的选择必须兼顾目标体的尺寸大小和探测深度，在满足探测深度的条件下，为尽可能提高雷达分辨率，应选择高频率天线。

3)隧道内环境的记录。隧道中存在很多影响探地雷达信号解译的干扰源，如电线反射、金属反射、金属网布设等，如果没有记录，很可能会被误判成异常体，因此，现场记录有助于减少误判的概率，提高检测精度。

4)测线的布设。测线的布设对于探测能否达到目的起到了关键性的作用，如果测线布设不合理，就算做了大量的工作也可能找不到探测的目标体。对于衬砌裂缝等条状病害，测线应该垂直目标体，并平行布设多条。对于衬后空洞等片状病害，应当设定网状测线。测线布设见图2。

图2 不同类型病害测线布设示意图

同时，还要根据病害的大小和要求的最小分辨率进行布线，以免布设的测线间距过大，造成病害的漏测。

3 不同类型病害的剖面异常特征

某位于灰岩地区的公路隧道，在运营过程中出现多处渗漏水情况，存在严重的安全隐患。为查明衬砌渗漏及路面冒水的原因，运用探地雷达主要对部分隧洞壁施工缝和病害位置进行了检测。施工缝的检测采用沿施工缝扫描的方式;渗漏病害位置检测采用多条相交测线的面积扫描方式。根据监测结果，对主要病害的雷达剖面异常特征进行如下总结分析:

1)衬后空洞。由于灰岩地区岩层含水量较大，当混凝土存在空洞时，会被水填充，水和混凝土之间存在较大的介电差异，在介电界面雷达波发生较强的多次反射，振幅较大，能量增强(见图3)。

图3 衬后空洞剖面图

2)衬砌裂缝。衬砌裂缝是衬砌内积水往外渗漏的通道，由于裂缝处的错断使得介电常数发生改变，在雷达剖面上显示为多次高频反射，同相轴出现错断(见图4)。

图4 衬砌裂缝剖面图

3)衬后充填不密实。在衬砌施工过程中，由于操作不当和施工工艺等问题，容易在衬砌中存在局部不密实现象，不密实处存在多个反射界面，在雷达剖面上显示为多个反射波，反射波振幅增强，同相轴杂乱(见图5)。

4)衬砌防渗层破坏。当衬砌防渗层破坏以后，由于渗漏水的作用防渗层易发生变形，使得防渗层和混凝土结构混在一起，雷达剖面显示为防渗层同相轴不连续(见图6)。

5)原岩破坏。由于隧道的开挖破坏了原岩的力学平衡，造成和初期支护相连的原状岩壁出现破坏现象，在雷达剖面上会显示为局部反射信号，被水充填后，散射信号增强(见图7)。

图5 衬后充填不密实

图6 衬砌防渗层破坏

图7 原岩破坏

4 结语

本文从探测过程进行研究，通过归纳总结隧道病害检测中可能存在的干扰因素问题，提出了相应的注意事项，以及采取相应的措施，提高了工作效率，同时，通过对不同病害类型所反映的雷达剖面进行分析总结，为隧道病害检测提供了参考依据，增加数据解译的精度。说明了在灰岩地区隧道渗漏水问题与隧道隐伏病害的分布存在一定的关系。通过对隧道病害的无损检测能够准确找到病害的位置并进行相应处理，减少因为隧道渗漏水问题带来的危害。在隧道检测过程中，由于隧道衬砌表面凹凸不平，尤其是检测过程主要靠人工完成，天线的移动速度不均匀，使得检测结果存在一定误差［5］。因此，在检测过程中应该尽量保持天线移动匀速，并尽量使测线不应过长，每隔5 m～10 m做好标记，这样做不仅可以减少人为造成的误差，而且可以为数据解译提供便利。

［1］ 张世豪，张 斌.石灰质条件下隧道渗漏水的分析与处理［J］.铁道建筑，2012(2):73-75.

［2］ 张智蔚，孙杨勇，陈 强.公路探地雷达技术在隧道检测中的应用探讨［J］.公路交通科技(应用技术版)，2008，4(40):141-143.

［3］ 杨 峰，苏红旗.探地雷达技术及其在公路隧道质量检测中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2005(10):82.

［4］ 刘会迎，宋宏伟.隧道渗漏水成因分析及治理措施研究［J］.重庆交通大学学报(自然科学版)，2007，26(4):99-101.

［5］ 吴波鸿，白雪冰，孔祥春.探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用［J］.物探与化探，2008，32(2):229-231.