隧道检测方法之隧道衬砌质量检测方法

1、现场钻孔法
2、衬砌混凝土强度检测回弹法
混凝土是隧道工程建设使用最为广泛的建筑材料。混凝土质量的优劣影响到隧道衬砌结构的适用性、安全性和耐久性,并直接制约着隧道工程经济和社会效益的发挥。混凝土衬砌的质量检控中,强度保证是基本要求。但是混凝土作为多相、多组分的复杂材料体系,在制造过程中,其强度易受到配料、搅拌、成型、养护等多种工艺环节的影响,如技术疏忽或管理不严,便极易造成质量隐患,甚至酿成工程事故。因此在建隧道的施工质量检控和已建隧道衬砌的健康诊断中,混凝土的强度检测十分必要。
然而传统的混凝土强度检测方法,无论是利用与现场同条件制作、养护的预留试块进行隧道衬砌的混凝土强度检测,还是现场钻孔取芯进行强度检测,对于隧道工程而言,弊端皆十分明显,两者的应用前景都不甚广阔。迄今为止,隧道衬砌强度检测的适宜方法,国内外也鲜有报道。随着我国高等级公路建设的迅速发展,公路隧道的数量和规模日益增加。所以,针对隧道工程的特点,寻求安全、经济、简便有效的混凝土衬砌的强度检测方法以应工程之需,具有较大的经济价值和社会效益。本文尝试着将回弹法、超声—回弹综合法引入某公路隧道衬砌的强度检测,以期从无损检测这一角度对这些方法进行比较研究。
（1）隧道衬砌的特点与检测方法的建立
回弹法和超声回弹综合法对房屋和桥梁等建筑结构的强度检测,国家及有关部门已经颁布有相关的规范与标准,使强度检测的精度和可靠性有了科学的程序和公认的检测方法。而这些程序和方法都是在对建筑结构的安全和可靠性评估方法、结构和材料的检测技术、结构的设计计算分析模型进行全面深入的研究基础上制定的。公路隧道与这些建筑结构在材料、功能、力学性能和设计方法上有许多的共同点,因此回弹法和超声回弹综合法对建筑结构进行强度检测的程序、方法、和分析计算的基本原理可以有选择应用到公路隧道的强度检测当中。但是,与常规的建筑结构相比,公路隧道还具有一些自身独有的特点。公路隧道属于地下半隐蔽工程,跨度大,穿越的地质条件复杂多变,衬砌形式种类多。由于隧道结构和围岩之间复杂的相互作用,衬砌的荷载分布至今都是一个在理论上远未解决的问题。对于公路隧道而言,围岩类别和衬砌形式不同的地段,衬砌内部的应力分布不同。即使在同一地段,岩层产状和岩性的差异,也可导致隧道的不同部位如拱顶、拱腰和拱脚等,其应力分布和变形特点发生变化。实际上,公路隧道经常处于一定的地下水环境中,水往往是混凝土衬砌劣化的主要因素。已有的回弹法和超声回弹综合法都是通过制备各种标号的混凝土试件,分别进行大量的回弹、超声和单轴抗压强度试验,建立回弹值、声速和强度的相关关系,得到回弹测强基准曲线和超声回弹测强基准曲线,进而间接推定混凝土强度的。实际上,在试验室进行回弹和声速测试时,都是在试件含水量可控制的范围内和零应力状态下测试的,而公路隧道却相反,它总是处于一定的应力状态和含有一定的地下水。由于这些基础条件的差异,在隧道混凝土强度检测中,钻芯法必不可少,它的结果直观、准确、代表性强,可用来对回弹法和综合法结果进行校正,以提高检测的可靠性。但是,钻芯法属于半破损检测方法,隧道衬砌是隧道工程主要的承重结构和最后的防水措施。对衬砌钻孔,必然造成结构的局部损伤,可影响到衬砌的整体性和刚度,也影响着隧道的美观,且造价昂贵。故钻孔数量不能太多,难以用来对整条隧道进行综合评判和推定,只能用于对回弹法和综合法进行强度校核,对混凝土的强度检测起着以点控面的作用。
由于公路隧道只有一个面暴露在外,其内部缺陷和潮湿程度等无法观察,回弹法和综合法测试时只能采取沿面测试方法,这也加大了测试工作的难度。在横断
面上,公路隧道衬砌按同一模板长度浇注成型,在整个横断面上形成完整的拱圈。所以,拱圈是隧道衬砌的基本结构,在公路隧道混凝土衬砌的强度检测中,以同一横断面上的拱圈为检测单元,是回弹法和综合法的首选方式。对于隧道而言,拱顶、拱腰和拱脚是关键的受力部位,其强度的满足与否,直接关系到结构的变形大小与稳定性,故横断面的强度检测中,应分别将它们作为独立的测区,进行单独评价。
回弹法是混凝土强度无损检测的一种基本方法。它是通过回弹值测试混凝土表层硬度(主要是砂浆部分的强度)来由表及里地间接推定混凝土强度的。它操作简便,重复性强,价格便宜,对衬砌质量不产生破坏,在检测混凝土的匀质性方面优势明显。但是,回弹法也有其不足之处,如低强度混凝土,受力时易产生塑性变形,表面弹性不足,对回弹法测强不敏感。对于内外质量不一的混凝土,回弹法测强结果只能代表衬砌表层一定深度范围内的混凝土。不同型号的回弹仪,测试厚度不一,现场测试时,必须根据衬砌厚度灵活选用合适的回弹仪。
超声回弹综合法是利用低频超声波仪和回弹仪对结构或构件同一测区进行原位声速和回弹测试,利用已建立起来的全国统一测强曲线,推算该测区混凝土抗压强度的一种方法。较之于单一的回弹法和超声法,综合测强法具有明显的优势。衬砌混凝土的龄期和含水率都对回弹值和声速有着明显的影响,但在综合测强方法中,龄期、含水率两个因素对回弹值和声速的影响却能在相当程度上相互抵消,从而能较大地提高强度测试的准确性与可靠性。如上所述,回弹法对低强度混凝土测试不敏感,单纯的声速法却对高强度混凝土反映不灵敏,而将两者结合起来的超声-回弹综合法,既能将混凝土内外质量检测结合起来,又能在较低或较高强度区弥补各自的不足,所以,综合测试能较全面地反映混凝土衬砌的整体质量,提高无损检测混凝土强度的精度。
(2) 工程应用及结果分析
某隧道全长656m,于1992年底建成通车。隧道设计为双向四车道,进出口洞门均采用翼墙形式,洞身支护形式为曲墙式。隧道衬砌采用模板浇注,插入式振捣器振捣,设计强度为C20。该隧道衬砌表面蜂窝、麻面较为常见;隧道轮廓异形现象比较多,内凹或外凸较为明显;多数地段的横断面轮廓也不甚平整光滑,模板纵横缝间的错位较严重;在整个长度范围内,隧道混凝土衬砌的开裂和渗漏水等病害较为发育,局部区段比较严重,主要集中在隧洞进出口部位和隧道右侧,有的地段两者较之于钻芯法结果,其波动幅度分别为6.3%和0.4%。钻芯法和回弹、综合法的结果相一致表明,回弹法和超声回弹综合法的正确应用,是可以用来检测隧道混凝土衬砌的强度的,并且可以保证其精度和可靠性。
根据设计资料,该隧道衬砌混凝土为200号防渗混凝土,相当于新规范C18的混凝土。因此,如果各测点由回弹法、综合法或钻芯法获得的推定抗压强度或混凝土强度代表值大于或等于18MPa,即可判定该处混凝土强度为合格。由强度分布图可以看出:从判定混凝土强度是否合格这一角度来看,三种方法的检测结果是完全一致的,回弹法和综合法评价结果与相应的钻芯法并没有差别。就整体而言,不同检测方法的测试结果都表明,隧道衬砌的强度大都满足设计要求,达到了18MPa。但局部地段的强度明显不够,最小的仅有10MPa,远未达标。如里程360m~500m范围内的左拱脚、左拱腰部位和440m处的右拱腰部分,三种方法所
得的强度都远小于18MPa,判定结果为该处衬砌强度不合格,三者结论全部一致。同时,对该隧道的现场调查、地质雷达和断面轮廓测试资料的研究表明:隧道衬砌强度的检测结果,其分布规律同变形形式、裂缝的分布情况和衬砌渗漏水特点是比较一致的。这一结论,从另一方面,也反证了回弹法和超声回弹综合法在衬砌强度检测方面应用的可靠性和精度。
(3) 回弹法操作要点
1）检测时回弹仪轴线始终垂直于测区所在区；
2）测区范围0.2*0.2m2，测点均匀布置；
3）每测区取16个回弹值，每个读数精确到1；
4）回弹值的确定：16个值中，剔除3个最大值、3个最小值，求其平均值；
5）在有代表性的测区进行碳化深度测定，一般不少于30%的测区；
6）碳化深度试验所用的溶液为1%的酚酞洒精溶液；
7）对回弹值影响最大的因素是碳化和龄期；
8）回弹值的率定值为80±2