隧道混凝土衬砌质量检测方法.pdf

2 1 4 管理施工 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 4 年 9 月第 9 期 隧道混凝土衬砌质量检测方法 周晖 ( 衢 州市 交通工 程质 量安全 监督 站 ， 浙江衢 州 3 2 4 0 0 0 ) 摘 要 ： 该文介 绍了隧道混凝 土衬砌 质量检测方法 ， 重点分 析探地雷达 法工作原理 、 检测方 法等 内容 ， 并结 合工程 实例 ， 检 测杭金衢 高速公路新岭隧道的混凝土衬砌质量， 研究典型地段的探地雷达检测成果 ， 并与钻孔检测成果进行 比较； 同时， 提出隧道混凝土衬砌 质量问题的处理方案， 为我国的隧道混凝土衬砌质量检测提供一定的理论依据。 关键 词 ： 隧道 ； 混凝土衬砌 质量 ； 探地 雷达法 ； 检测方法 中图分 类号 ： U 4 5 5 9 1 文献标识 码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 2 1 4 0 3 0 引言 当前 ， 隧道工程主要采用复合式衬砌 ， 包括 两个部分 ， 即初期支护和混凝土衬砌。 其中， 初期 支护 的作用是确保施 工期 间的围岩稳定性 ， 混 凝 土衬砌 的作用是保证 施工期 间的安全性 ， 并 承担 后期 围岩 的压力 。一般情况下 ， 混凝土衬砌 应在 满 足构造要求 的前提下 ， 根 据 围岩 的级别 进行设 计 ， 比如 ， I V类 以上 围岩 ， 混 凝土衬砌设计 依据是 安全储备 ； I II 类 以下围岩 ， 混凝土衬砌设计依据 是承载结构。对于隧道工程来说 ， 混凝土衬砌是 承 载结构 和防水结构 的重 要保证 ， 施工 质量直接 决 定隧道工程 的稳定性 和安全性 ， 影 响隧道工程 的正常使用功能。调查研究显示 ， 隧道混凝土衬 砌质量问题包括塌方 、渗水、漏水及开裂等 ， 因 此 ， 采用合适的方法对隧道混凝土质量进行检测 是十分必要的 。隧道混凝 土衬砌 质量检测方法 有 钻孔法、 冲击回波法 、 激光断面仪检测法 、 超声波 检测法及探地雷达法【 ” ， 本 文以实际工程 为例 ， 重 点介 绍探 地雷 达法 在 隧道混凝 土 衬砌 质量 检 测 中的应用 。 1 探地 雷达法 1 1 工作 原 理 探地雷达法属于无损伤检测方法 ，借助高频 脉冲 电磁波 ， 探测和分析相关介质的分布状态 ， 以 评价隧道混凝土衬砌质量。将天线作为媒介， 发射 机发射的高频宽带电磁波进入到混凝土中，经过 反射之后 ， 反射信号由接收机接收。高频宽带电磁 波 的传播过程 中， 由于介质 的影响 ， l ： L n 介质几何 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 0 2 作者 简介 ： 周晖 ( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 浙江江 山人 ， 高级工 程师 ， 从 事 工程 质量安全 监督工作 。 形态的变化 、 截至电磁性的变化等 ， 会形成相应的 波形变化 、 能量变化 以及相位变化 ， 然 后 ， 采用计 算机分析方法 ， 研究和处理反射信号波形 、 能量和 运行时间 ， 进而判断隧道混凝 土衬砌 的结构 ， 探讨 隧道混凝土衬砌 的质量【 l 】 。 1 2 检测方法 检测时 ， 紧贴混凝 土衬砌 的表面设置接收天线 和发射天线， 高频宽带电磁波经由发射天线， 进入 混凝土衬砌， 当电磁波的传播路径受阻时， 比如遇 到岩石 的断裂面 、 岩石与混凝土 的分界面 、 空气与 混凝土的分界面、 混凝土的空隙、 钢拱架 、 钢筋等 ， 电磁 波产生反射 ， 再经 由接收天线 ， 反射信号被接 收机接收。根据 电磁波从发射到接收的时间 ， 可 以 计算出电磁波的单向路程长度【 ， 公式如下： = 1 式中： h是为电磁波的单 向路程长度 ， m； 为 电磁波在介质 中的传播速度 ， m n s ； z a t 为电磁波从 发射到接收的时间 ， n s 。 对于探地雷达工作频段来说 ， 可将地下介 质看 做是准电介质 ，电磁波在介质中的传播速度计算 公式如下 ： = 一 式中： 为电磁波在介质中的传播速度， m n s ； c 为 电磁波在真空 中的传播速度 ， 0 3 m n s ； 为相对 介 电常数 ， 由介质 的属性决定 ， 如表 l 所列 。 表 1不同介质的相对介电常数及传播速度一览表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 9月第 9 期 城 市道桥 与防洪 管理施工2 1 5 1 3 检测成 果 ( 1 ) 混凝土衬砌的厚度： 研究表 明 ， 隧道围岩与 混凝土衬砌 的介电常数相 差很大 ， 因此 ， 在 隧道 围 岩和混凝土衬砌 的分 界面 ，电磁波会产生 明显 的 反射现象 ， 按照上述公式 ， 能够得 出混凝土衬砌 的 厚度I 5 j 。 ( 2) 混 凝 土 衬砌 的背部 空 洞 ： 隧道 围岩 和空 气 的介 电常数差 别明 显 ， 若 混凝土 衬砌 的背部存 在 空洞 问 题 ，非 常容 易反 映 在探 地雷 达 效 果 图 E 位簧 m Z KI Z K 2 K 2 0 7 + l O 0 1 1 0 1 2 0 1 3 O 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 0 0 K 2 0 7 + 2 1 0 图 2 K 2 0 7 + 1 O 0到 K 2 0 7 + 21 0雷达 检测成 果图 2 隧道混凝土衬砌检测应用分析 曼 ： 。Z K 。 。 。 。 。 。 删 。 2 1 工 程概 况 杭金衢高速公路位于浙江省的中西部地 区， 是 连接浙江省主要城市的交通纽带 ， 公路全长 2 8 9 k m， 竣丁 于 2 0 0 3年底 。本文选 择新 岭隧 道作 为研究 对 象 ， 包 括两 个 双车 道分 离 式 隧道 ， 隧道 长度 约 为 1 4 2 3 m， 隧道 的最大埋深 约为 1 5 6 m。 类 围 岩地段 ， 混 凝土衬砌 的设 计厚度 为 4 5 o m， 采用钢 筋混凝土 ； I I I 类 嗣岩地段 ， 混凝土衬砌 的设计厚度 为 4 0 o m， 采用素混凝土 ； I V类 围岩地段 ， 混凝土衬 砌 的设计 厚度 为 3 0 o m， 采用 素混凝土 ， 设 计强度 均为 2 5 MP a 。 2 2 检测准备 探地雷 达系统采用美 国 G S S I 公 司 S I R 一 2型 ， 发射天线和接收天线 的频 率为 9 0 0 H z ，如 图 1 所 示 ，在拱顶及距拱顶 中心线平距为 2 m的两边位 置布设测线 ， 沿混凝土衬砌表面 ， 采用连续扫描 的 方式 ， 通过车载天线进行检测 。 图 1 混凝土衬砌 检测现 场测线 布置 圈 2 3 检测结果及验证 探地雷 达剖面 图如图 2 、 图 3所 示 ， 分 析和处 理探地雷达剖面图， 对于存在空洞的区域， 进行钻 孑 L 检测 ，并 比较探地雷达 的检测成果及 钻孔检测 成果 ， 典型地段 的测试结果如下 。 O 5 暑1 0 I 5 2 0 0 2 0 4 O 60 图 3 K 2 0 7 + 2 1 0到 K2 0 7 + 3 1 0雷达检测 成果 图 ( 1 ) K 2 0 7 + 1 0 0 K 2 0 7 + 1 4 5 ， I类 围岩地段 ， 存 在多个小空 洞 ， 密实程度不满足要求 ， 混凝 土的厚 度在 2 0 4 0 c m， 空洞的高度在 1 0 2 5 o m， 其中， 部 分地段 的空洞较大，最大可以达到 5 m，如图 4所 示 。 钻孑 L 检测的混凝土厚度为 4 2 o m， 空洞的高度为 2 4 o m 图 4 混凝 土衬砌不 密实现 象( 1 ) 图示 ( 2 ) K 2 0 7 + 1 5 0 K 2 0 7 + 1 8 5 ， I类 围岩地段 ， 混凝 土厚度 在 1 5 2 5 c ,m， 空洞高度在 2 0 2 5 o m。钻孔 检测 的混凝土厚度为 2 4 o ,m， 空洞高度为 3 2 c I n 。 ( 3 ) K 2 0 7 + 1 9 5 K 2 0 7 + 2 4 0 ，I 类 罔岩地段 ， 全段 不密实 ， 存在连续小空洞 ， 每个空洞 的范围大概为 1 m， 混凝 土 的厚 度在 l 0 2 5( m， 其 中 ， K 2 0 7 + 2 2 0 处空洞最大 ，可 以达到 8 m左右 ，空洞 的高度在 4 0 c m左右 ， 如图 5所示 。钻孑 L 检测的混凝 土厚度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 6 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 9 月第 9 期 为 2 5 r ： m， 空洞的高速为 3 9 c m。 图 5 混 凝 土衬 砌 不 密 买现 象 ( 2) 图 示 ( 4) K 2 0 7 + 2 5 5 ， I 类 围岩地段 ， 混 凝土 厚度在 l 5 3 0 c m，空 洞高 度在 l 5 4 5 e m，空洞 范 围在 5 - 6 m之间。钻孔检测 的混凝土厚度 为 1 7 e m， 空 洞高度为 5 0 c m。 ( 5 ) K 2 0 7 + 3 0 0 ， I I I 类 围岩地段 ， 混 凝 土厚度在 5 2 0 c m，空 洞 高度 在 2 0 6 0 c m，空洞 范 围 在 l 2 m左 右 。钻孑 L 检测 的混 凝土 厚度 为 8 e m， 空 洞高度为 6 5 c m。 比较探 地雷 达检测结 果和钻 孔检测结 果 ， 两 种方法的厚度检测误差不超过 5 ， 高度检测误差 不超过 6 ， 但是 ， 对于配筋 区域来说 ， 混凝 土衬砌 的检测误差稍大 ， 当空洞高度不超过 2 0 c m时 ， 需 要相应地提高检测精度。总之 ， 在隧道混凝土衬砌 质量检测 巾，探地雷达法可以提供 比较准确 的检 测 成果 ， 满足实际混凝 土衬砌质量检测的需求。 3 隧道混 凝土衬砌质 量 问题 处理方案 根据实 际混凝 土衬砌 的质量 问题 ，以混凝 土 衬砌厚度不超过 5 c m为原则 ， 可以采用 如下 处理 方 案I 。 第一 ，拱顶混凝土衬砌厚度大于设计 厚度的 7 0 ， 可 以使用加气小石子混凝 土填筑密实 ； 拱 顶 混凝土衬砌厚度小 于设计厚度的 7 0 ， I I 类围岩 地段 ， 由于采用钢筋混凝土 ， 可 以使用 同标号的混 凝土进行填筑 ， 类 同岩地段和类 嗣岩地段 ， 需 要将凿除原有的混凝土 ， 再进行重新浇筑作业 。 第二 ， 边拱混凝土承受 的荷载较大 ， 如果混凝 土衬砌厚度小于设计厚度至少 5 c m时 ， 就必须将 原有 的混凝土凿除 ，冉使用全新的钢筋混凝土进 行浇筑作业 。 4 结语 本文 主要研究探地雷达法在隧道混凝土衬砌 质量检测 中的应用 ， 结合实际工程 ， 分析 和验证探 地雷达的检测成果 ， 研究表明 ， 探地雷达法能够满 足隧道混凝土质量检测的要求。 参考文献 1 钟世 航 朔 黄线 中段 4 5座隧 道衬砌 的质绩检N I AI 隧道和地 下 工程第 l O届科技动态报告文集【 c 】 成都： 两南交通大学 l = 版 _丰 十 ， 2 0 0 0 【 2 J T J 0 71 - 9 8 ， 公路 工程质 世检 验评定标 准【 s 】 【 3 周立 功， 严 炎兴， 张惠 生 探 地雷 达技 术 隧 道病 害检测 q 1 的应 用 施工技术 ， 1 9 9 8 ， ( 3 ) ： 1 5 一l 6 邓中俊 ， 姚成林 ， 贾永 梅， 等 探地雷 达在水 【 ： 隧洞 质量 检测 F I 的 应用 水利水 电技术， 2 0 0 8 ， 3 9( 1 0 ) ： l 1 l l l 2 5 陈建勋 隧 道混凝 土衬 砌质量 检测 方法 长安 大学 学报 ( 自然 科学 版) ， 2 0 0 2 ， 2 2( 3 ) ： 5 1 5 4 6 马翔 探地 雷达在 水库 坝基古 河槽 勘察 巾的应 用 T 程勘 察， 2 o 0 l ， 【 1 ) ： 6 3 6 6 外媒报道 ： 2 0 3 0年 2 4座中国城市跻身全球经济 5 0强 根据牛津 经济研究 院一份报告显示 ， 在未来的 1 6年间 ， 上海 、 重庆等中国大城市将跻身全球性大都 市行列。 报告显示 ， 在 2 0 3 0年 ， 将再有 9个 中国城市跻身全球 5 0大经济体城市 ， 总数达 2 4个。与此 同时 ， 将 有 8个欧洲城市跌出榜单 。中国 2 4座城市 的经济总量超过北美 ， 是欧洲 的 4倍 。 根据报告 ， 2 0 3 0中国 G D P排名前五的城市将依次 为上海 、 北京 、 天津 、 广州和深圳 ， 而人 口排名前 五 的城市则为重庆 、 上海 、 北京 、 天津和广州 。 汇丰环球研究常务总监范力民表示 ， 中国超大型城市正在面临挑 战 ， 若想保持发展的持续性 ， 必须下 大力气解决空气 、 水资源等一系列问题 。 根据预测， 上海经济规模将在 2 0 1 3 2 0 3 0年间增长 7 3 4 0 亿美元， 同时， 北京 G D P也将增加 5 9 4 0 亿美 元 。 在全球范围内， 报告称从经济规模看 ， 2 0 3 0年世界上最大的城市将依次 为东京 、 纽约 、 洛杉矶 、 伦敦和 E 海 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m