哈爾濱地鐵2號線某區(qū)間隧道盾構(gòu)管片背后脫空雷達檢測效果的討論

哈爾濱地鐵2號線某區(qū)間隧道盾構(gòu)管片背后脫空雷達檢測效果的討論摘要：本文主要論述哈爾濱地鐵2號線某區(qū)間隧道盾構(gòu)管片背后脫空雷達檢測準確度的情況，以及類似項目管片背后脫空檢測準確度的推斷。檢測實踐過程中，管片鋼筋密集，鋼筋二次波疊加強烈，實際雷達剖面圖辨識過程困難。本次雷達檢測管片背后無脫空和不密實情況，或有脫空和不密實但無法通過本次檢測分辨。關鍵詞：盾構(gòu)；管片；雷達檢測；脫空前言目前混凝土的雷達檢測已經(jīng)取得各行業(yè)的認可，特別是在隧道襯砌混凝土的檢測中應用非常普遍，但是根據(jù)目前已有資料反映，對隧道盾構(gòu)管片背后脫空情況的論文極少。部分論述管片檢測的論文，一般為無鋼筋情況，或者是模型試驗，幾乎沒有在鋼筋存在情況下的論述。1檢測大環(huán)境概況1.1工程概況區(qū)間隧道為穿越松花江主航道段地下隧道，起始于太陽島極地館附近的太陽島站，向東敷設至太陽橋向東南方向轉(zhuǎn)入松花江，穿越松花江主航道后到達道里區(qū)，進入友誼路與經(jīng)緯街擬建人民廣場站。本區(qū)間設計右線總長度為1902.652m，左線總長度1923.972m。本區(qū)間設置1個聯(lián)通通道泵站、2個聯(lián)絡通道。隧道頂部覆土埋約深為10.9～24.0m。本段區(qū)間隧道縱坡為“V”型坡，最大坡度為30‰，最小平面曲線半徑R=400m。區(qū)間隧道外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，管片厚350mm，環(huán)寬1200mm，C55P12鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由1塊封頂塊F，2塊鄰接塊L及3塊標準塊B構(gòu)成，錯縫拼裝。1.2地質(zhì)概況區(qū)間下穿松花江，松花江水深3.8～6m，穿江長度約1.2km。此段線路平面由R=400的圓曲線逐漸轉(zhuǎn)為直線，后又漸變?yōu)镽=450m的圓曲線通過松花江；縱斷面呈V形，最大下坡16.3‰，最大上坡30‰，隧道埋深14～21m，盾構(gòu)穿越地層主要為中砂、細砂、粉質(zhì)黏土、黏土，隧道頂部覆土由上至下依次為（2-3）細砂、（2-3-1）中砂、（2-3-4）中砂、（2-3-5）中砂、（2-4）中砂、（2-4-1）礫砂層。1.3雷達設備概況本文主要對結(jié)合地質(zhì)情況，實際雷達圖像識別進行分析討論，雷達原理、及選用900MHz天線（主機勞雷SIR-3000）原因及介電常數(shù)的測定等相關內(nèi)容不在此贅述。表1參數(shù)表項目數(shù)值天線中心頻率900MHz介電常數(shù)7.5鋼筋間距（雙層）≤15cm鋼筋直徑18mm、20mm管片設計厚度35cm管片環(huán)長1.2m1.4管片背后同步注漿及二次補強注漿情況由于盾構(gòu)機外徑比管片外徑大，管片被推出盾尾后管片與圍巖之間形成施工空隙，壁后注漿即為達到填充施工空隙的效果，防止洞身周邊坍塌。根據(jù)理論計算，管片和圍巖間的施工空隙體積為3.2m3。注漿量結(jié)合注漿壓力進行控制，注漿壓力一般控制在切口壓力+60～80kPa之間，若壓力明顯增大，則暫時停止注漿，以免注漿壓力擊穿地層。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，要達到較好的填充效果，至少應保證注漿量在150%～200%之間，即每環(huán)注漿量在4.8～6.4m3之間，現(xiàn)場實際注漿量平均穩(wěn)定在5.0m3，由此亦可判斷，管片背后注漿效果較好。2雷達檢測剖面圖分析2.1拱頂檢測剖面圖分析從區(qū)間拱頂檢測剖面圖中選取有代表性的10m（1150-1160）作為分析對象，雷達剖面圖如下圖所示。剖面圖已進行時間零點和距離歸一化處理。圖1隧道拱頂管片雷達剖面圖首先通過剖面圖無法準確找到管片的分界面，縱向未出現(xiàn)明晰的分界面，或是類似的分界面。從整體上看，除首層鋼筋顯示較清晰外，其他以下均為雜亂無章的鋼筋多次反射波形成的疊加波形，完全無法分辨注漿層（10cm厚水泥砂漿）和地層（細砂～中砂）。經(jīng)對所有襯砌拱頂檢測測線分析，檢測過程中未發(fā)現(xiàn)其他有明顯脫空特征的剖面圖。管片層和其他地層已無法分辨，對于不密實情況，更是無從談起。如判定存在不密實情況，同樣可以推斷，管片實體中存在不密實，根據(jù)實際管片生產(chǎn)的經(jīng)驗判斷，管片幾乎不存在不密實情況，或者說管片不可能均為不密實。根據(jù)經(jīng)驗，在雷達剖面圖深度約為30cm處，局部通過表層鋼筋間隙較大位置可以發(fā)現(xiàn)二層部分鋼筋的雷達剖面圖，再根據(jù)常識，鋼筋保護層厚度一般為3～5cm，由此可以推定管片厚度為35cm（通常管片厚度為5cm的倍數(shù)）。根據(jù)向亮星在探地雷達檢測盾構(gòu)隧道試驗效果研究與應用中論述，可以推定管片背后密實，本次雷達檢測達到了較好的檢測效果。2.2拱腰檢測剖面圖分析從區(qū)間拱腰檢測剖面圖中選取有代表性的10m（870-880）作為分析對象，雷達剖面圖如下圖所示。剖面圖已進行時間零點和距離歸一化處理。通過拱腰檢測剖面圖和拱頂剖面圖進行對比：無本質(zhì)差別。表面層次的差別主要體現(xiàn)在剖面圖的清晰度，根據(jù)經(jīng)驗剖面圖的清晰度主要取決于天線和界面的耦合程度，拱頂天線的耦合度低于拱腰的耦合度(實際由天線和界面的密貼程度決定的)。圖2隧道拱頂管片雷達掃描圖像襯砌管片背后脫空的斷定同拱頂剖面圖。3其他在雙層鋼筋情況下檢測情況的分析向亮星[1]通過合理選用天線并優(yōu)化采集過程，探底雷達可以檢測到盾構(gòu)管片背部的界面異常，定性判斷管片背后注漿密實度是可行的。其試驗過程中存在許多極限或極端狀態(tài)，例如管片（厚30cm）后放置鋼盤、管片外全部為臨空面。僅此只可證明特殊情況下可以分辨，但現(xiàn)實中，管片和巖層之間本身空隙較小（一般不大于10cm），外加地層沉降、巖體脫落、注漿等情況，所剩空隙無幾，在此種情況下，電磁波穿過管片后不密實或脫空形成的剖面圖與鋼筋強反射形成的剖面圖相比，要弱的多，幾乎無法分辨。吳豐收[2]依托MATLAB軟件平臺，采用高階時域有限差分法分別對400MHz天線和900MHz天線時隧道襯砌矩形空洞和三角形空洞進行正演模擬，其結(jié)果展示了鋼筋網(wǎng)對雷達波的強干擾性，由于鋼筋繞射波、多次波及界面間的多次波相互疊加，造成雷達剖面非常復雜，二次襯砌-初期支護界面和初期支護-圍巖界面的反射波被壓制，難以分辨出界面的位置及形狀。張弛[3]襯砌為鋼筋混凝土時，只有當兩層鋼筋排列合理、環(huán)向鋼筋在檢測方向上未出現(xiàn)錯位，鋼筋間距足夠大才能準確地檢測出襯砌的缺陷情況。周鑫鑫[4]通過同相軸來判斷襯砌混凝土的厚度。黃玲等[5]通過二維與三維模擬及偏移處理，表明鋼筋混凝土缺陷探測受鋼筋網(wǎng)間距影響較大。4結(jié)語根據(jù)以上分析可以得出結(jié)論：盾構(gòu)襯砌管片在有鋼筋（最大間距不大于15cm）情況下，很難判定管片后是否有脫空或空洞。管片厚度較大（大于40cm）無法有效分辨管片背后是否有脫空或空洞。本次雷達檢測管片背后無脫空和不密實情況，或有脫空和不密實但無法通過本次檢測分辨。在鋼筋存在情況下，由于鋼筋的屏蔽作用、鋼筋繞射波和多次波相互疊加造成雷達圖像非常復雜，混凝土背后少量脫空反射波和不密實微弱反射波被強烈的各種疊加波覆蓋，無法區(qū)分。因此在鋼筋間距不大于15cm的情況下，管片背后少量的脫空或不密實幾乎無法識別。此種情況下是否還有必要通過地質(zhì)雷達去判斷鋼筋存在情況下管片背后的密實情況？參考文獻[1]向亮星，探底雷達檢測盾構(gòu)隧道試驗效果研究與應用[J].都市快軌交通,2020.33（3）:12-17[2]吳豐收，花曉鳴.基于探地雷達的隧道襯砌空洞高精度正演識別研究[J].隧道建設,2017.37（增1）:13-18[3]張馳.基于地質(zhì)雷達法檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)襯砌脫空的研究[J].鐵道勘察,2018.（3）:35-38[4]周鑫鑫