铁路隧道隧底病害检测模拟试验研究

杨艳青 贺少辉 齐法琳 江波

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司轨道交通院，北京100037；2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；3.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京100081）

在软弱围岩隧道中仰拱、填充层的完整性对隧道整体结构稳定性具有重要作用。如果仰拱、填充层存在设计不当、施工质量较差、强度不足等问题，那么在列车长期往复荷载作用下仰拱和填充层极易破损，会出现落底、排水沟翻浆冒泥、隧底隆起等病害［1-3］。随着使用时间的延长、运营速度的提高以及运量的增长，病害程度会日益恶化，严重影响列车运行速度和行车安全。因此，对运营隧道进行定期检测，检定隧底破损范围，及早采取整治措施，遏制病害发展非常必要。目前，地质雷达无损检测技术在既有铁路隧道状态检测方面应用广泛［4-7］，但是由于隧道仰拱或填充层位于道砟下一定深度，破损的仰拱或填充层与道砟层、围岩的分界凹凸不平，使得地质雷达检测结果复杂多变，难以判定。

本文以我国铁路隧道中较为常见的混凝土整体衬砌隧底结构为研究对象，按完整、破损2种工况制作隧底模型，进行地质雷达检测模拟试验，对不同工况下地质雷达图进行定性、定量分析，为实际工程检测提供参考。

1 试验方案及模型制作

1.1 试验方案

以单线铁路隧道混凝土整体衬砌轨面以下深2.0 m，宽5.5 m的横截面为原型，制作长4.5 m的1∶1隧底模型［8］。模型中一半为完整结构，另一半以隧道中线为分界分别模拟仅填充层破损、仰拱和填充层均破损2种工况。然后，平行于隧道中线在轨道外侧设置测线进行地质雷达检测。将地质雷达图的介质层分层情况与模型实际情况进行对比分析，确定隧底不同介质层的界面位置，解释其特征，并定量分析各介质层的厚度及其检测精度。

1.2 隧底模型制作

图1 隧底模型设计图（单位：m）

设计平面尺寸5.5 m×4.5 m，深2 m的围岩模拟槽，采用厚240 mm砖墙做围护结构，砖墙内壁及槽底敷设弹性体改性沥青防水卷材。模拟槽内回填素填土、压实，模拟隧底结构。按单线铁路隧道混凝土整体衬砌隧底结构尺寸设计隧底模型（图1），自下而上分别为素填土层（隧道中线处厚500 mm）、C20模筑素混凝土仰拱（厚300 mm）、C15混凝土填充层（隧道中线处厚456 mm）、卵砾石（粒径10～30 mm）、道砟层（厚500 mm）。采用100 mm×100 mm方木模拟枕木（长1.2 m），间距625 mm；采用Ⅰ16工字钢模拟轨道。破损的填充层、仰拱采用C20混凝土块进行模拟。

为保证试验模型与实际工程的一致性，委托具有隧道施工经验的施工单位，按图1进行制作，制作过程见图2。

图2 隧底模型制作过程

2 地质雷达检测

2.1 仪器设备

地质雷达主机采用SIR-20型主机，天线采用400 MHz空气耦合天线，数据处理用地质雷达自带的RADAN后处理软件。

2.2 地质雷达检测

如图1所示，在轨道外侧距轨道80 cm的位置设置测线1和测线2，并以人工牵引的方式沿测线对隧底进行检测（地质雷达天线距道砟表面30 cm）。地质雷达主机脉冲重复频率75 kHz，采样点数512，扫描速率75次/s。

3 检测结果与分析

3.1 定性解释与比对分析

经后处理软件处理得到的隧底地质雷达图见图3。根据地质雷达电磁波在介质层中振幅指数衰减特性及各界面反射系数的正负变化引起的相位变化特点可确定各介质层间的界面位置［9-10］。

对比地质雷达图中的介质层分布和试验模型实际情况，可知：①道砟层、填充层、仰拱、围岩各层之间的界面出现强反射同相轴，各介质层界面清晰可辨；②道砟层顶部出现间断的强反射同相轴，底部无明显强反射信号；③对于隧底完整段，填充层、仰拱无明显异常和连续的强反射同相轴；④对于破损段，填充层、仰拱出现不规则强反射，同相轴间断，杂乱无章，填充层和仰拱破损部分顶部较明显。

图3 地质雷达剖面图

3.2 介质层厚度定量分析

图4为测线1上测点ZC1—ZC16（测点编号见图1）的地质雷达波形图，通过相位分析可得各介质层的界面位置，作为介质层厚度定量分析的基础。

图4 测点地质雷达波形图

对于介质层厚度的定量分析，相对介电常数εr的确定至关重要。相对介电常数的取值直接影响介质层厚度检测的准确性。由于试验模型各介质层厚度的量测较容易，因此采用反演法按式（1）确定εr。以多点反演计算值的算术平均值εˉr作为计算介质层厚度的平均相对介电常数值，以减少计算误差。

式中：C为光速，取0.3 m/ns；Δt为电磁波在介质层中的双程旅时，ns；D为介质层厚度实测值，m。

介质层厚度计算值D′的计算公式为

由式（1）和式（2）可计算得到各测点处道砟层、仰拱（完整段包括填充层）、破损填充层的厚度计算值，分别见表1—表3。其中v为电磁波浓度。

表1 道砟层厚度检测结果

表2 仰拱(完整段含填充层)厚度检测结果

表3 破损填充层厚度检测结果

由表1可知：①隧底完整段（ZC1—ZC8）道砟层中电磁波波速v为0.141～0.180 m/ns，其平均波速vˉ为0.157 m/ns；εr为2.8～4.5，其平均相对介电常数εˉr为3.7。②隧 底 破 损 段（ZC9—ZC16）道 砟 层 中v为0.191～0.248 m/ns，其vˉ为0.223 m/ns；εr为1.5～2.5，εˉr为1.8。可见，电磁波在道砟层中波速达到空气中波速（0.3 m/ns）的1/2～2/3，传播速度较快，这与道砟层较松散、空隙大的实际情况相吻合。③隧底破损段道砟层εr普遍小于隧底完整段，说明破损段道砟层较松散。④道砟层厚度计算值与实测值差值在-6.8～8.5 cm，最大相对误差15.8%。

由表2可知：①隧底完整段仰拱中v为0.121～0.137 m/ns，vˉ为0.157 m/ns；εr为4.8～6.1，εˉr为5.4。隧 底 破 损 段 仰 拱 中v为0.122～0.163 m/ns，vˉ为0.141 m/ns；εr为3.4～6.0，εˉr为4.6。可见，电磁波在隧底完整段和破碎段仰拱中的波速差别不大，εr接近。②仰拱厚度计算值与实测值差值在-4.4～4.4 cm，最大相对误差14.3%。

由表3可知：①隧底破损填充层中v为0.079～0.105 m/ns，vˉ为0.085 m/ns；εr为8.2～14.3，εˉr为8.6。可见，电磁波在破损填充层中的波速比完整填充层小，εr比完整填充层大。②破损填充层厚度计算值与实测值差值在-0.6～7.0 cm，最大相对误差29.4%，与完整填充层相比其误差偏大。

综合表1—表3的分析可知，对于介质层厚度的检测结果，完整填充层的检测精度较高，而松散的道砟层和破损填充层检测精度较低。

同理，采用上述方法可得到测线2各测点处各介质层厚度实测值，电磁波在介质层中的双程旅时、波速、相对介电常数值以及按各层相对介电常数值平均值计算出的介质层厚度计算值。测线2计算结果与测线1一致，在此不再赘述。

4 结论

1）在地质雷达图上，隧底的不同介质层界面较清晰，可定性判断出各界面，并且破损填充层有明显的异常显示。

2）通过反演计算介质层多个测点的相对介电常数，以平均相对介电常数为计算基础，可较为准确地定量分析隧底道砟层、填充层、仰拱等介质层的厚度。

3）检测精度随介质层的完整程度而存在差异。完整介质层检测精度较高，破损介质层检测精度则较低。