摘要：结合中铁一局沪昆客专管段内隧道施工实践，以优化资源配置、提高大断面隧道施工效率为目的，研究确定大断面隧道施工机械设备配套原则。分别针对开挖、支护、防排水、衬砌等不同工序，形成了客运专线大断面隧道机械设备配套及作业模式，形成了客运专线大断面隧道机械化作业面，为客运专线大断面隧道施工提供了经验与借鉴。
Abstract： Combined with the tunnel construction practice of Hukun railway of China Railway First Group Corporation， and in order to optimize the allocation of resources， improve the efficiency of large section tunnel construction， this study determined the large section tunnel construction mechanical equipment matching principle. Respectively aiming at the excavation， support， waterproof and drainage and other different lining process， the large section tunnel mechanical equipment and operation mode formed in the passenger dedicated line， as well as the large section tunnel mechanization industry face， offering experience and reference for large section tunnel construction of passenger dedicated line.
关键词：大断面隧道；机械设备；配套；作业模式
Key words： large section tunnel；mechanical equipment；matching；operation mode
中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）26-0153-03
0 引言
近年来，隧道施工安全越来越受到施工单位的重视，因此，在隧道施工的整个过程中都加强了质量检测。在隧道工程施工过程中，初期支护与二次衬砌是隧道施工过程中的关键，而初期支护更是直接影响二次衬砌的施工进度，所以，加强对初期支护的质量检测对整个隧道的施工安全与进度至关重要。地质雷达法是近年来很受施工单位欢迎的一种检测方法，通过对初期支护关键部位进行雷达扫描，能够明显的看出施工质量，有效地打击了“豆腐渣工程”。地质雷达是一种专门对隧道及地下工程的初期支护、二次衬砌及超前地质预报进行检测与预报的新方法。文章通过高黎贡山隧道初期支护的检测，对地质雷达在实际工程的准确性与可能存在的误差进行了研究，为今后类似工程提供可靠依据[1]。
1 工程地质情况
隧道地处云南省西北部，距离贡山县城约40km，属高黎贡山山脉北部，穿越区为高海拔低纬度区，隧道区处于高海拔寒冷地区，属于亚寒带气候区。工作区气候多变，主体气候十分明显，夏日河谷地带炎热似火，气温高达30℃以上、雪山之巅四季气温0℃以下，寒气刺骨，时而暴风骤雨、刹时冰雪交加。每年11月份至次年5月份大雪封山，难以逾越，7月份～10月份雪山以上的“V”型谷中残雪盖地，一年中难见数日晴天，常年处于雪雾笼罩之中：一般1～3月、9～12月雨量较少，4～8月为雨季。隧道穿越区地处怒江与独龙江两大水系分水岭地带，为该地区一级分水岭，进口端为怒江支流-四克洛河、出口端为独龙江支流-莫嘎洛河。隧道区地形、地貌属切割剥蚀、冰蚀高山地形、地貌区：主要分布在高山地带，根据海拔高度的不同，雪线（4000m）以下有两个不同的植被带，2900m～2600m之间的亚高山暗针叶林带与3600～4000m之间的高山灌丛或草甸带。隧道设置表如表1所示。
隧道区地表覆盖层为第四系冰碛堆积碎石土夹块石，下伏基岩为燕山晚期花岗闪长岩。除隧道进出口附近（围岩以强风化岩石为主）外，大部分隧道围岩为中风化、微（未）风化花岗闪长岩，呈大块状或块状构造。岩石整体上抗水、抗风化能力较弱且具有一定的软化性。工程地质条件好，隧道各级围岩情况明细如下：Ⅱ类围岩约占43%，Ⅲ类围岩约占42%，Ⅳ类围岩约占12%，Ⅴ类围岩约占3%。
2 地质雷达法
2.1 地质雷达原理
地质雷达的工作原理是以瞬态电磁波理论为基礎，通过宽频带时域发射天线，向介质发射高频短脉冲电磁波。波在介质里传播过程中遇到不同电性介面就会产生反射，再由接收天线接收反射回来的信息，由计算机将接收回来的数字信息进行计算处理和分析，便可识别不同界面反射体的形态，并能确定目标体的空间位置，如图1所示[2-5]。
地质雷达与通信雷达技术基本相同，都是通过不同频率的天线向目标体发射电磁波来确定目标体的形状和位置的。同时，电磁波传播理论与弹性地震波有很多相似之处。因此，地质雷达波的解释与地震反射波法的解释也很类似。根据波动理论，电磁波的传播服从下列公式：
P=|P|-jω （t-r/v） （1）
式中：v为电磁波的传播速度；r为电磁波传播的距离；ω为电磁波的角频率，且ω=2πf。
地质雷达使用的是高频电磁波，频率在10～2000MHz左右，其传播速度主要由介质的介电常数大小来决定。电磁波在某一介质中传播时，遇到不同的波阻抗界面，如隧道的脱空、不密实等都将会产生反射和透射，其反射能量取决于反射系数R：
（2）
式中：ε1，ε2分别为反射界面上下两层介质的相对介电常数。由上式可见，如在混凝土衬砌体与围岩之间，二次衬砌与初期支护之间，以及衬砌体内部存在空洞、不密实、离析等缺陷时，由于空气或者离析物相对混凝土的介电常数差异较大就会形成波的反射，这就为地质雷达检测隧道工程质量创造了良好的地球物理条件。
2.2 检测方法
2.2.1 测线布置
雷达测线可沿隧道轴向和环向布置，拱顶为A测线，以A测线为中心，以弧线距3m向隧道两侧分别布测线，根据断面大小和检测内容可布置多条测线，分别为：A、B、C、E、F、G、……，共N条测线，如图2所示。
2.2.2 测量标记
根据现场实际工作情况，为便于测量和下一步处置隧道病害需要，以公路里程桩号为基础，每5m统一编号作为探测里程横坐标。
2.2.3 检测方式
检测时采用人工控制移动天线，对隧道衬砌结构及围岩进行连续透视扫描，边采集数据边实时显示监控，以测线剖面记录单独编写文件，全部数据均为有效记录。
2.3 雷达数据处理
雷达数据处理的目的是压制随机的和规则的干扰波，最大限度地提高雷达剖面的信噪比，提取电磁回波各种有用参数，用来解释不同介质的物理特征。如基于频率不同产生的改善应用于各种反褶积技术，确定性反演滤波、递归滤波、最小平方滤波和子波处理等。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变，如偏移处理等。
3 雷达资料分析
与所有物探技术一样，雷达图像的解释是一个“系统工程”，它包含了高频技术、工程建筑等方面的知识经验。判读雷达扫描图像，首先是对图形与图像的正确识别，然后才是相关的计算与解释。探地雷达扫描图像的正确解释，是建立在探测参数选置合适，数据处理得当，有足够的模拟试验对比，以及阅图经验丰富等基础之上的[6-7]。
针对检测技术和任务，首先要了解被测目标结构与围岩是否存在足够的电性差异，即介质之间的介电常数（εr）差异越大，满足εr1≠εr2≠εr3…≠εrn，则探测的介质界面易于区分，反之则难。对于大多数的介质来说，含水是造成介质的介电常数差异的主要因素之一。介质的介电常数（εr）不仅与介质本身的性质有关，而且与介质中含水率n有如下关系[8]：
εr=（1-？准）εmr+nεωr+（？准-n）ε0 （3）
式中：εmr——介质中相对介电常数，εωr——水的相对介电常数（εωr=81），ε0——空气相对介电常数（ε0=1），？准——介质的总孔隙度。
介质中含水率n的较小变化会引起介质εr值的增大，而电磁波在介质中的传播速度则会降低。
据波动理论，波速v、波长λ、频率f三者的关系如下：
λ=v/f （4）
当雷达发射电磁波频率一定时，随着介质速度的增加，雷达所接收到的反射波波长增大。反之，介质的电磁波降低时，反射波波长变小。
初期支护混凝土喷层厚度检查方法和频率依据JTG F80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》相关规定以及独龙江公路改建工程指挥部的相关的要求进行。喷层厚度检测技术方法为地质雷达反射波探测法，使用的设备为瑞典的RAMAC/GPR型地质雷达，天线频率800MHz，在K6+940～910段洞身共布置5条连续检测线，在雷达剖面图上每5m采集一个值，共有5个断面的数值，在每个断面上有5个检测点。检测点在断面上的位置如图3所示[9]。
4 试验结果
4.1 喷层厚度检测
喷层厚度检测成果统计情况如表2所示。
由表2可知，检测区段最小厚度为31.4cm，与施工单在检测前所提供的初喷厚度32cm基本相同，且大于设计厚度22cm。为了证实地质雷达的准确性，现场进行了典型区段的钻芯取样，取样深度为1m，通过对钻芯试样的尺寸进行测量，平均初喷厚度为31.2cm，与地质雷达所检测结果极为相近，充分地验证了地质雷达的准确性。
4.2 拱顶及侧壁后空洞检测
拱顶及侧壁后空洞及不密实检测，其统计情况如表3所示，初期支护缺陷如图4所示。
由表2及图4可以看出，检测的内拱顶及侧壁后大于0.004m2空洞共计2处，分别在桩号K6+912～914和桩号K6+910～911处，总空洞测线长度3m。初期支护与围岩接触面不密实面积大于0.004m2的不密实区共计3处，分别在桩号K6+915～917、桩号K6+910～912及桩号K6+922～924处，总不密实测线长度6m。为了验证地质雷达检测的准确性，施工人员又进行了钻芯取样，取样结果与雷达检测结果基本相同，充分地验证了雷达检测的可靠性。
5 结论
①在对隧道进行初期支护厚度检测时，检测结果为该区段最小厚度31.4cm，并进行了典型区段的钻芯取样检测，通过钻芯取样检测可以充分的证明地质雷达在混凝土厚度检测方面准确性。检测结果与施工单位所提供的初喷厚度大体一致，均大于原设计厚度22cm与施工单在检测前所提供的初喷厚度32cm基本相同，且大于设计厚度22cm。
②在对隧道进行拱顶和侧后壁的空洞、不密实检测时，检测出大于0.004m2空洞共2处，总空洞测线长度3m。初期支护与围岩接触面不密实面积大于0.004m2的不密实区共3处，总不密实测线长度6m。并进行了钻芯取样检测，通过钻芯取样结果可明显的看出与地质雷达检测结果相同，充分的验证了雷达检测的可靠性。
③对隧道初期支护厚度检测时，检测最小厚度为31.4cm，但是通过钻芯取样检测发现，初期支护最小厚度为31.9cm，出现了0.05cm的误差。原因可能是操作工人在检测过程中没有将天线完全与初期支护表面接触，中间存在一定缝隙。由于隧道内的环境复杂，空气湿度大，初喷表面并不是出于完全干燥状态，所以影响了地质雷达的检测效果。今后应着重加强对地质雷达在这两方面的改进。
参考文献：
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