哈尔滨地铁2号线某区间隧道盾构管片背后脱空雷达检测效果的讨论

哈尔滨地铁 2 号线某区间隧道盾构管片背后脱空雷达检测效果的讨论

王 记

中铁隧道股份有限公司

摘要：本文主要论述哈尔滨地铁2号线某区间隧道盾构管片背后脱空雷达检测准确度的情况，以及类似项目管片背后脱空检测准确度的推断。检测实践过程中，管片钢筋密集，钢筋二次波叠加强烈，实际雷达剖面图辨识过程困难。本次雷达检测管片背后无脱空和不密实情况，或有脱空和不密实但无法通过本次检测分辨。

关键词：盾构；管片；雷达检测；脱空

前言

目前混凝土的雷达检测已经取得各行业的认可，特别是在隧道衬砌混凝土的检测中应用非常普遍，但是根据目前已有资料反映，对隧道盾构管片背后脱空情况的论文极少。部分论述管片检测的论文，一般为无钢筋情况，或者是模型试验，几乎没有在钢筋存在情况下的论述。

1 检测大环境概况

1.1 工程概况

区间隧道为穿越松花江主航道段地下隧道，起始于太阳岛极地馆附近的太阳岛站，向东敷设至太阳桥向东南方向转入松花江，穿越松花江主航道后到达道里区，进入友谊路与经纬街拟建人民广场站。本区间设计右线总长度为1902.652m，左线总长度1923.972m。本区间设置1个联通通道泵站、2个联络通道。隧道顶部覆土埋约深为10.9～24.0m。本段区间隧道纵坡为“V”型坡，最大坡度为30‰，最小平面曲线半径R=400m。

区间隧道外径6200mm，内径5500mm，管片厚350mm，环宽1200mm，C55P12钢筋混凝土结构，由1块封顶块F，2块邻接块L及3块标准块B构成，错缝拼装。

1.2 地质概况

区间下穿松花江，松花江水深3.8～6m，穿江长度约1.2km。此段线路平面由R=400的圆曲线逐渐转为直线，后又渐变为R=450m的圆曲线通过松花江；纵断面呈V形，最大下坡16.3‰，最大上坡30‰，隧道埋深14～21m，盾构穿越地层主要为中砂、细砂、粉质黏土、黏土，隧道顶部覆土由上至下依次为（2-3）细砂、（2-3-1）中砂、（2-3-4）中砂、（2-3-5）中砂、（2-4）中砂、（2-4-1）砾砂层。

1.3 雷达设备概况

本文主要对结合地质情况，实际雷达图像识别进行分析讨论，雷达原理、及选用900MHz天线（主机劳雷SIR-3000）原因及介电常数的测定等相关内容不在此赘述。

表1 参数表

1.4管片背后同步注浆及二次补强注浆情况

由于盾构机外径比管片外径大，管片被推出盾尾后管片与围岩之间形成施工空隙，壁后注浆即为达到填充施工空隙的效果，防止洞身周边坍塌。

根据理论计算，管片和围岩间的施工空隙体积为3.2m³。注浆量结合注浆压力进行控制，注浆压力一般控制在切口压力+60～80kPa之间，若压力明显增大，则暂时停止注浆，以免注浆压力击穿地层。根据以往施工经验，要达到较好的填充效果，至少应保证注浆量在150%～200%之间，即每环注浆量在4.8～6.4m³之间，现场实际注浆量平均稳定在5.0m³，由此亦可判断，管片背后注浆效果较好。

2 雷达检测剖面图分析

2.1拱顶检测剖面图分析

从区间拱顶检测剖面图中选取有代表性的10m（1150-1160）作为分析对象，雷达剖面图如下图所示。剖面图已进行时间零点和距离归一化处理。

图1 隧道拱顶管片雷达剖面图

首先通过剖面图无法准确找到管片的分界面，纵向未出现明晰的分界面，或是类似的分界面。从整体上看，除首层钢筋显示较清晰外，其他以下均为杂乱无章的钢筋多次反射波形成的叠加波形，完全无法分辨注浆层（10cm厚水泥砂浆）和地层（细砂～中砂）。经对所有衬砌拱顶检测测线分析，检测过程中未发现其他有明显脱空特征的剖面图。管片层和其他地层已无法分辨，对于不密实情况，更是无从谈起。如判定存在不密实情况，同样可以推断，管片实体中存在不密实，根据实际管片生产的经验判断，管片几乎不存在不密实情况，或者说管片不可能均为不密实。

根据经验，在雷达剖面图深度约为30cm处，局部通过表层钢筋间隙较大位置可以发现二层部分钢筋的雷达剖面图，再根据常识，钢筋保护层厚度一般为3～5cm，由此可以推定管片厚度为35cm（通常管片厚度为5cm的倍数）。

根据向亮星在探地雷达检测盾构隧道试验效果研究与应用中论述，可以推定管片背后密实，本次雷达检测达到了较好的检测效果。

2.2拱腰检测剖面图分析

从区间拱腰检测剖面图中选取有代表性的10m（870-880）作为分析对象，雷达剖面图如下图所示。剖面图已进行时间零点和距离归一化处理。

通过拱腰检测剖面图和拱顶剖面图进行对比：无本质差别。表面层次的差别主要体现在剖面图的清晰度，根据经验剖面图的清晰度主要取决于天线和界面的耦合程度，拱顶天线的耦合度低于拱腰的耦合度(实际由天线和界面的密贴程度决定的)。

图2 隧道拱顶管片雷达扫描图像

衬砌管片背后脱空的断定同拱顶剖面图。

3 其他在双层钢筋情况下检测情况的分析

向亮星^[1] 通过合理选用天线并优化采集过程，探底雷达可以检测到盾构管片背部的界面异常，定性判断管片背后注浆密实度是可行的。其试验过程中存在许多极限或极端状态，例如管片（厚30cm）后放置钢盘、管片外全部为临空面。仅此只可证明特殊情况下可以分辨，但现实中，管片和岩层之间本身空隙较小（一般不大于10cm），外加地层沉降、岩体脱落、注浆等情况，所剩空隙无几，在此种情况下，电磁波穿过管片后不密实或脱空形成的剖面图与钢筋强反射形成的剖面图相比，要弱的多，几乎无法分辨。吴丰收^[2]依托MATLAB软件平台，采用高阶时域有限差分法分别对400MHz天线和900MHz天线时隧道衬砌矩形空洞和三角形空洞进行正演模拟，其结果展示了钢筋网对雷达波的强干扰性，由于钢筋绕射波、多次波及界面间的多次波相互叠加，造成雷达剖面非常复杂，二次衬砌-初期支护界面和初期支护-围岩界面的反射波被压制，难以分辨出界面的位置及形状。张弛^[3]衬砌为钢筋混凝土时，只有当两层钢筋排列合理、环向钢筋在检测方向上未出现错位，钢筋间距足够大才能准确地检测出衬砌的缺陷情况。周鑫鑫^[4]通过同相轴来判断衬砌混凝土的厚度。黄玲等^[5]通过二维与三维模拟及偏移处理，表明钢筋混凝土缺陷探测受钢筋网间距影响较大。

4结语

根据以上分析可以得出结论：

1. 盾构衬砌管片在有钢筋（最大间距不大于15cm）情况下，很难判定管片后是否有脱空或空洞。

2. 管片厚度较大（大于40cm）无法有效分辨管片背后是否有脱空或空洞。

3. 本次雷达检测管片背后无脱空和不密实情况，或有脱空和不密实但无法通过本次检测分辨。

在钢筋存在情况下，由于钢筋的屏蔽作用、钢筋绕射波和多次波相互叠加造成雷达图像非常复杂，混凝土背后少量脱空反射波和不密实微弱反射波被强烈的各种叠加波覆盖，无法区分。因此在钢筋间距不大于15cm的情况下，管片背后少量的脱空或不密实几乎无法识别。此种情况下是否还有必要通过地质雷达去判断钢筋存在情况下管片背后的密实情况？

参考文献

[1] 向亮星，探底雷达检测盾构隧道试验效果研究与应用[J].都市快轨交通,2020.33（3）:12-17

[2] 吴丰收，花晓鸣.基于探地雷达的隧道衬砌空洞高精度正演识别研究[J].隧道建设,2017.37（增1）:13-18

[3] 张驰.基于地质雷达法检测钢筋混凝土结构衬砌脱空的研究[J].铁道勘察,2018.（3）:35-38

[4] 周鑫鑫，张鸿飞，史海涛.公路隧道衬砌厚度的探地雷达检测方法[J].能源技术与管理,2008.（1）:83-84

[5] 黄玲，曾昭发，王者江，吴丰收.钢筋混凝土缺陷的探地雷达检测模拟与成像效果[J].物探与化探,2007.31（2）:181-185

作者简介：王记，男，工学学士、管理学学士，中铁隧道局下属隧道股份公司稽查队。