顶管施工隧洞回填灌浆质量检测技术应用与分析

何灿高，刘庆国

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

在水利工程建设中，隧洞工程越来越多，TBM（硬岩掘进机）与盾构施工技术已经比较成熟，但主要应用于大断面的隧洞施工中。小直径的隧道通常采用钻爆法施工，施工效率低，安全问题突出。顶管施工具有速度快、隧洞一次成型、顶进距离长、环保、安全、工艺简单等特点，在小直径水工隧洞方面更具优势[1]。

采用顶管施工技术，隧洞开挖洞径略大于预制管道外径，在顶进过程中，洞底普遍存在沉渣，外壁与围岩的空间进一步被压缩，待施工完毕后，实际可能只有数厘米，甚至部分管道外壁与围岩直接接触。盾构或钻爆法施工隧洞竣工后多对衬砌质量进行检测，多年来业内积累了丰富的经验。顶管施工中管壁与围岩缝隙较小，回填灌浆质量检测难度大，对检测技术提出了新要求。

1 工程概况

某大（2）型水利枢纽工程控制流域面积439 km2，总库容1.52亿m3，多年平均供水1.04亿m3，总投资38.68亿元，工程建成后可以满足沿线居民饮水及农田灌溉用水需求，同时承担中心城区380万人的生活应急供水任务。该工程由大坝枢纽工程及输水线路工程组成，输水线路包括7座无压隧洞、4条施工支洞、7座暗涵、2座渡槽、3座倒虹吸、6个分水口、4座检修洞、1座退水闸、1座节制闸及沿线的排水排气放空阀井等附属建筑物等。

无压隧洞施工是输水线路工程的控制性工程，采用AVN2000泥水平衡型硬岩顶管机施工，顶管为内径2.65 m、外径3.17 m、单节长2.5 m的预制管道。隧洞围岩为侏罗纪泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩，围岩类型为Ⅲ～Ⅴ级，Ⅳ、Ⅴ级围岩居多。

2 检测方法与技术

2.1 方法原理

探地雷达法是利用高频电磁波的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术。高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，通过发射天线（T）向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射，并返回被接收天线（R）接收，并由主机记录下来，形成雷达测试剖面图[2-5]。

电磁波在界面上的反射和透射遵循Snell定律，反射脉冲信号的强度与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数。

应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度：

式中：t为目的层雷达波的反射时间（ns）；c为雷达波在真空中的传播速度（0.3 m/ns）；εr为目的层以上介质相对介电常数均值。

检测主要采用剖面法，其为发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。

2.2 检测设备及参数

本次检测使用RAMAC/GPR雷达系统，配备800MHz天线及相应附属设备。采样频率为12158MHz，采样间隔0.05 m，采样点数186，时窗15 ns，进行64次叠加。

2.3 数据处理及解释

采用Reflexw-2D软件，对实测雷达剖面按如下步骤依次进行处理。

（1）剖面长度校正。将实测剖面长度校正至实际剖面长度，以减小测距轮误差，还原真实位置。

（2）静校正（static correction）。切除直达波信号干扰，把时间校正到地面零点。

（3）去零点漂移（subtract-mean（dewow））。使采集信号归位至零点基线。

（4）增强深部信号（energy decay）。放大显示因能量衰减导致信号弱的深部反射信号。

（5）去除背景信号（subtracting average）。去除背景信号，突出显示局部弱小异常信号。

（6）巴特沃斯带通滤波（bandpass buterworth）。去除干扰、目标信号之外频段的信号，保留目标频段信号。

（7）滑动平均（running average）。对信号进行圆滑处理，去除毛刺等高频信号，以最佳方式显示处理成果。

电磁波在介质中传播时，其路径、场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间、幅度、频率和波形等，对雷达图像进行处理和分析，将雷达图像特征与被检测介质特征建立对应关系，达到质量检测目的。

3 工作布置

沿各无压隧洞管道顶拱中心线，顺洞向布置雷达测线。

4 检测成果

对检测的雷达图像进行处理和分析，归纳典型雷达异常图像有如下5种。

4.1 抛物线状信号

在相邻管道接缝处，雷达图像呈抛物线状强振幅特征，典型图像如图1中椭圆圈内所示，此类异常为典型的单点强反射信号。

图1 典型雷达图像

相邻管道间的接缝处设计为顺洞向厚约2 cm的木质垫片，管道外壁包裹有宽10 cm的保护钢板，具体结构如图2所示，木质垫片与金属钢板介电常数差异较大，在接缝处形成电磁波强反射界面，抛物线状信号即为钢板反射信号。

图2 管道接缝处结构

通过管壁厚度标定电磁波速为0.1 m/ns，与混凝土电磁波速经验值一致，同时可确定图像中管道外壁位置，见图1中虚线，并作为标志层进一步确定图像中其他异常对应的实际位置。

4.2 无明显强反射信号

顶管外壁标志层以外2～3 cm范围内，雷达图像无明显反射信号，典型图像如图1中正方形内所示，说明回填灌浆质量较好或围岩较完整无裂隙发育。

4.3 顶管外壁较远处振幅较强的反射信号

顶管外壁标志层以外大于10 cm，雷达图像出现振幅较强且延续范围较大的反射信号，形成单一层状、连续的反射轴，典型图像如图1中长方形内所示，此类异常代表介质差异极大的强反射界面的反射信号。

结合施工工艺分析认为，隧洞掘进后围岩内部形成松弛岩体，尤其本工程围岩为泥岩类，遇水后容易崩解，再加上裂隙发育等原因，整体滑落坍塌在管外壁上，围岩内部形成空气层。图1中此类异常位于管外壁标志层以外约40 cm，反射面连续可追踪，坍塌岩体顺洞向长约17 m。

4.4 顶管外壁附近振幅较强的反射信号

顶管外壁标志层以外2～3 cm范围内，雷达图像出现振幅较强的反射信号，形成单一层状反射轴，典型图像如图3椭圆圈内所示。此类异常与上述第三类异常性质相同，代表介质差异极大的强反射界面的反射信号，本工程中多为空气层与围岩、管壁形成的反射界面，说明顶管外壁出现脱空。

图3 脱空段雷达图像

对图3中第一处异常进行钻孔取芯验证并采用钻孔电视仪录像，录像成果如图4中左侧图像所示，管壁外侧与围岩之间存在厚度约为2 cm的脱空，与雷达判定结果一致。

图4 钻孔验证录像

4.5 顶管外壁附近振幅相对较强的反射信号

顶管外壁标志层以外2～3 cm，雷达图像出现振幅相对较强的反射信号，且同相轴相对杂乱，典型图像如图5—6中椭圆圈内所示，此类异常不如脱空类异常信号强，多为介质内存在较弱反射界面或介质不均一，缺陷程度相比脱空而言较轻，在本工程中代表回填灌浆不密实或者围岩内部发育裂隙。

图5 回填灌浆不密实段雷达图像

图6 围岩裂隙发育段雷达图像

分别对该2处异常进行钻孔取芯验证并录像，录像成果如图4中间及右侧图像所示。中间图像可见泥浆中有细微裂缝，回填灌浆密实度稍差；右侧图像可见管壁外侧与围岩接触紧密，但附近围岩内发育微小裂隙，局部岩体完整性差。钻孔录像揭露情况与雷达判定情况基本一致，说明该类异常多由灌浆密实度稍差或围岩内部裂隙发育所致。

本工程各无压隧洞检测总长约14.7 km，对上述各种雷达异常进行归类并统计，统计结果详见表1。对脱空段异常处进行钻孔验证并重新灌浆，以确保工程质量。

表1 雷达异常及缺陷类型统计

5 结语

在水工建筑物质量检测中，探地雷达法具备无损、快速、准确、低成本等优势。本工程中对采用顶管技术施工的隧洞进行质量检测，通过识别相邻管道接缝处钢板反射雷达信号，确定雷达信号中管道外壁位置，并作为标志层分析其他异常雷达信号，分别圈定了回填灌浆密实区、脱空区、不密实区（或基岩内部裂隙发育区）及围岩坍塌区分布位置，取得了良好检测效果，可供类似工程借鉴。