地铁隧道混凝土衬砌质量检测方法研究.pdf

2024 年第 2 期85中国高新科技ROAD TRAFFIC|道路交通地铁隧道混凝土衬砌质量检测方法研究周敏中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，广东 广州 510000摘要：随着城市地铁网络的不断扩张，地铁隧道的建设与维护变得尤为重要。混凝土衬砌是地铁隧道结构的关键组成部分，其质量直接影响隧道的安全性和使用寿命。该研究旨在探讨地铁隧道混凝土衬砌质量检测方法，重点关注了超声波法和雷达法这两种非破坏性检测方法。结果表明：超声波法主要用于测量混凝土的密度、声速、裂缝、包含水的情况，以及钢筋的深度和位置等表面和浅层参数；雷达法适用于检测混凝土结构的内部缺陷、钢筋的位置、混凝土层厚度等深层结构的信息。关键词：地铁隧道；混凝土；衬砌质量检测；超声波；雷达法文献标识码：A中图分类号：U455文章编号：2096-4137（2024）02-85-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.24Research on quality inspection methods for subway tunnel concrete liningZHOU MinChina Railway 19 Bureau Group Rail Transit Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,ChinaAbstract:With the continuous expansion of urban subway networks,the construction and maintenance of subway tunnels have become increasingly important.The concrete lining is a critical component of subway tunnel structures,and its quality directly impacts the safety and service life of the tunnels.Therefore,this study aims to explore quality inspection methods for subway tunnel concrete lining,with a focus on two non-destructive testing methods:ultrasonic testing and radar testing.The results indicate that ultrasonic testing is primarily used to measure surface and shallow parameters of concrete,including density,sound velocity,cracks,water content,and the depth and location of reinforcements.On the other hand,radar testing is suitable for detecting internal defects in concrete structures,the position of reinforcements,and the thickness of concrete layers.Keywords:subway tunnel;concrete;lining quality inspection;ultrasonic;radar method地铁隧道作为城市交通系统的重要组成部分，其建设质量直接关系城市交通运行的顺畅与安全。隧道混凝土衬砌是地铁建设中的重要工序，其质量在地铁建设中起着关键作用。隧道混凝土衬砌为地铁隧道提供了基础的结构支撑，是确保隧道的稳定性和安全性、防止塌方和坍塌事故的重要基础。另外，作为隧道内壁的保护层，混凝土衬砌也能抵御地下水、腐蚀和磨损，延长隧道使用寿命。同时，地铁及其隧道建设投资巨大，高质量的混凝土衬砌能够有效延长使用寿命，减少后期维护和修复的成本。故混凝土衬砌质量直接关系地铁建设的安全、可持续性和经济效益。为保证地铁隧道混凝土衬砌质量，需要采用一定的技术和方法对其质量进行检测。地铁隧道混凝土衬砌质量检测方法较多，已经形成了系统的技术体系，如非破坏性检测、视觉检查、取样检验、应力应变监测等，这些方法为全面评估混凝土衬砌的质量，确保其符合设计要求，并提前识别潜在的结构问题提供了技术支持。1超声波法超声波检测混凝土衬砌质量原理是利用固体介质中弹性波传播理论，假设向混凝土介质中发送介质超声波，通过测量波的速度、振幅等参数，可以获取混凝土内部结构信息。大量实验表明混凝土压强与超声波速度之间存在如图 1 所示的关系。超声波速度（v/(km/s)）图1混凝土压强与超声波速度关系由图 1 可知，混凝土压强与超声波速度之间的关系为：（1）式中，F 表示混凝土压强，MPa；v 表示超声波传播速度，km/s；a、b 为常数，由工程试验测定。从现场获取混凝土衬砌 2 个试样的测试结果为：（2）由此可得到 a、b 两个数值。上述为经典的超声波混凝土衬砌质量检测原理。近年来，随着信息技术不断发展，各种超声波探测器的出现及传感器的应用为混凝土衬砌质量检测提供了更高精度。如图 2 所示为检测装置示意图。2024 年第 2 期86中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC图2检测装置示意图所设计的检测装置需要将电磁铁放置在 pc 塑料套管中，超声波发生器固定后能够激发超声波，该装置中含有 2 个采集装置，进行接收获取超声波参数。实现超声波硬件设计后需要进行软件设计。如图 3 所示为软件测试流程图。图3软件测试流程图超声波检测混凝土衬砌质量采用的核心算法是时域分析算法，算法的关键步骤如下。（1）数据采集：一次数据采集可同时获得两种偏移距的数据组。（2）抽道：从两组共偏移距数据组中选择其中一组或合并它们，以获得同一个偏移距下的数据组。（3）数据调整：对选定的数据组进行人工调整，以调整波形的显示方式。（4）增益：调整信号的幅度，以增强或减弱信号。（5）道间隔：调整波形之间的间距，以适应显示需求。（6）时间轴比例：调整时间轴的比例，以控制波形的展示速度。（7）归一化显示：对数据进行归一化处理，以确保各道的能量均一。（8）可视化：将经过特征调整的数据波形可视化显示。可使用适合的绘图工具库来绘制波形图。（9）调色板设置：为了增强波形的可视效果，添加调色板设置，允许用户选择彩图进行结果显示。用户可以根据个人喜好选择颜色方案，以更清晰地区分正常信号和异常信号。为验证超声波方法在混凝土测试应用中的准确性，本次实验按照抗压强度、超声波法两种方法进行混凝土衬砌质量检测。第一组测试结果平均波速为 3200.0m/s，抗压强度测试结果为 31MPa；第二组测试结果平均波速为 3410.0m/s，抗压强度测试结果为 32MPa。根据公式（2）可计算得到波速与压强之间的关系为：（3）根据波速与压强之间的关系，在隧道中每隔 100m 取一个断面进行测试（每个断面测试 3 次数据求平均值为测试结果），利用公式（3）计算得到该区域的理论压强为34MPa，而实际测试结果为 32MPa。两种方法之间数值接近，说明超声波压强检测方法能够应用到地铁隧道混凝土衬砌质量的检测中。2雷达法探地雷达法（Ground-Penetrating Radar，GPR）是一种无损伤检测技术，其核心原理是利用高频脉冲电磁波来探测混凝土及下覆介质的分布和形态，以获取地下结构的信息。电磁波在介质中的传播会受到介质变化影响造成相位、波形等参数变化，可使用计算机传感器技术对反射电磁波进行测量，分析返回时间、能量分布、波形状态等以获取材料内部结构。雷达法用于测定混凝土衬砌质量，其操作过程是将电磁波天线插入混凝土衬砌中，电磁波遇到钢筋、混凝土等不连续界面时都会反射出异常电磁波，由此得出雷达法测量行程的计算方法为：（4）式中，s 表示电磁波天线到反射面之间的距离，m；v 表示雷达波速，m/ns；t 表示雷达往返消耗时间，ns。其中，速度 v 受介质影响较大，常见的介质速度有：水泥混凝土为 0.130 0.170m/ns、空气为 0.300m/ns、水为0.033m/ns。在实际测试中为了更准确地测定速度，可使用钻孔方法测量。雷达法探测手段主要有：空鼓检测。GPR 可以检测混凝土表面下的空鼓区域，因为空鼓区域通常具有不同的电磁特性。雷达波在空鼓区域下的传播速度较快，从而产生反射，可以在图像上显示出来。裂缝检测。GPR 可以探测到混凝土中的裂缝，包括微小的裂缝。这些裂缝会导致雷达波的反射变化，在图像中可见。钢筋检测。GPR 还可以检测到混凝土中的钢筋，因为钢筋会干扰雷达波的传播。这对于确定（下转第89页）2024 年第 2 期89中国高新科技ROAD TRAFFIC|道路交通（2）选择汽车将拌合好的混凝土运输至施工现场。人工配备小推车将混凝土运送至浇筑点。采用溜槽的方式进行混凝土浇筑，并借助振捣器对混凝土进行振捣，振捣器要紧插慢拨，确保其密实度符合要求。选择木抹子对底板顶面进行压平处理。在对井壁预留台进行混凝土浇筑时，需要与底板混凝土浇筑间隔40 60min，避免出现插捣不实的现象出现。（3）混凝土浇筑时不得中断，若必须停止浇筑时需要缩短停止时间。墙体浇筑时按照分层浇筑方式，并在上层混凝土初凝之前完成下层混凝土浇筑操作。（4）井壁结构模板拆除后，需对混凝土进行养护处理，确保混凝土表面湿润，养护时间不得低于 14d。为避免混凝土表面出现裂缝，需在混凝土终凝之前，对表面进行搓压处理，再将塑料布覆盖在混凝土表面。3.3.5模板拆除模板拆除时，需要填写“混凝土拆模申请表”，质检员和主任工程师批准之后再安排人员进行拆模操作。在进行模板拆除时，需要确保混凝土强度符合要求且不会对棱角产生破坏。同时，需要保护混凝土不得出现硬翘、重力打砸情况。3.4闭水试验在进行闭水试验前，需要安排人员将管道、井内的杂物进行清除。闭水试验过程中，需要对上游、下游和支连管进行封堵处理，不得出现渗水现象。3.5回填（1）顶管井检查。对井室、井筒周围 50mm 范围内进行检查。顶管井内其他范围选择中粗砂来进行回填操作，压实系数不得小于 95%。（2）顶管施工完成后进行回填时，回填土至第一、二节壁板分界点处，需要对壁板第一节部分区域进行凿除，确保其他管线可以正常通行，分界点位置回填土选择厚度 300mm的灰土对其进行隔水处理。（3）顶管坑内砌筑检查井。将检查井外壁和顶管坑壁间缝隙选择8%的灰土进行回填操作，压实度需符合设计要求。4结语市政工程建设的关键是地下管线工程施工，地下管线施工质量直接决定了市政工程建设质量。现阶段，随着社会的发展，施工技术不断进步，市政工程地下管线施工技术也在不断完善。在市政工程地下管线施工过程中要重视施工技术的应用，还需做好地下管线的保护，对施工全过程进行监督和控制，确保技术确实到位，提高市政工程的管理水平。作者简介：夏新波（1982-），男，陕西咸阳人，中国水利水电第三工程局有限公司工程师，研究方向：市政工程施工。参考文献1 谢磊.市政道路大中修工程设计研究 J.工程建设与设计，2022（23）：131-133.2 方思敏.公路市政化改造的总体设计方案 J.工程建设与设计，2021（18）：64-66.3 吉利军.市政给水工程定向钻进技术及拖拉管施工技术 J.智能城市，2021，7（2）：163-164.4 田朋飞，王秋领.城市管线探测技术及案例分析 J.中国市政工程，2019（4）：26-29，113-114.（责任编辑：周羿廷）钢筋的位置和覆盖深度非常重要。3结语地铁隧道混凝土衬砌质量检测是确保隧道结构安全和耐久性的重要步骤。超声波法和雷达法都是用于检测混凝土质量和隧道结构的非破坏性检测方法，但它们在原理、应用和检测方式上有一些重要区别。超声波法是基于声波在材料中的传播速度和反射来检测混凝土质量，它通过发送声波脉冲，并测量其在混凝土中传播的时间来评估材料的密度和质量。雷达法使用电磁波，通常是微波频段的无线电波，来探测混凝土结构内部的变化。它测量电磁波传播的时间和反射，然后分析这些数据以生成图像或深度信息。超声波法和雷达法在地铁隧道混凝土衬砌质量检测中都有各自的优势和应用领域。选择哪一种方法取决于需要测量的参数、深度及具体的检测目标。通常情况下，它们可以结合使用，以获取更全面的信息和质量评估。作者简介：周敏（1988-），女，广东广州人，中铁十九局集团轨道交通工程有限公司助理工程师，研究方向：土木工程。参考文献1 金树坤，李揽月.隧道混凝土衬砌质量检测方法研究 J.居舍，2018（6）：166.2 郑生贞.隧道混凝土衬砌质量检测方法 J.环球人文地理，2017（4）：116.3 周晖.隧道混凝土衬砌质量检测方法 J.城市道桥与防洪，2014（9）：214-216，24.4 高鹤.隧道混凝土衬砌质量检测方法研究 J.甘肃科技，2009，25（12）：127-129.5 陈建勋.隧道混凝土衬砌质量检测方法 J.长安大学学报（自然科学版），2002（3）：51-54.6 陈建勋，张毅，封捍东，等.关于隧道混凝土衬砌质量检测方法的探讨 C/中国公路学会 2001 学术交流论文集.中国公路学会，2001：403-408.（责任编辑：周羿廷）（上接第86页）