超声回弹综合法在隧道二次衬砌混凝土强度检测中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 4期 东北水利水 电 工程施工 文章编号】 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 2 3 0 2 超声回弹综合法在隧道二次 衬砌混凝土强度检测中的应用 黄金 华 1 ， 祁 海 燕 2 ， 刁 占峰 1 ( 1 辽宁水利土木工程咨询有限公 司 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 3 ； 2 辽宁宏禹水利工程建设监理有限公司 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6) 摘 要文章按照 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程 ( c E c s O 2 ： 2 o 0 5 ) 要求。 采用超声 回弹综合 法对大伙 房水库输 水工程隧道二 次衬砌 混凝 土抗 压 强度 进行检 测 。同时在相 同测 区 采用钻芯取样法进行对应比较。通过工程实际应用，表明超声回弹综合法在隧道二次衬砌混 凝 土强度检 测 中具有较 好的保证 率 ，能够 满足检 测要 求。 同时本 文分析 了该方 法在检 测 中影 响相 对误差 的 因素 。 关键词超声回弹综合法； 输水隧道； 混凝土； 衬砌 强度 中图分类号T V5 2 2 文献标识码 A O 引言 在水利水 电工程 中，混凝土材料 的应 用已有 1 0 0多年 的历史 ， 通过大量使 用及 研究发现 ， 直接 影响混凝 土 自身质量 的因素较 多， 如原材料组成、 施工方法 、 环境和气候 条件 、 人员素质等都有可能 使混凝土在浇筑过程 中产 生缺陷 ，在使 用过程 中 出现病害 ， 如碱活性、 空隙、 孔洞及裂隙等 。这些缺 陷和病害都将降低混凝土的强度指标 ， 因此 ， 需要 用科学的检测手段和方 法 ，对混凝土结构缺陷和 强度进 行检测 ， 评价混凝土及其结构质量。隧道衬 砌 的强 度检测 方法 中 ， 最直 接、 可靠 的的方 法 ， 无 疑是钻芯取样法。但该法可对衬砌造成局部破损 ， 影响隧道 美观 ， 并且施 工不便 ， 费用较高 ， 有 时还 可能影响隧道 的正 常运行 ， 因而难以大量使用、 推 广。常规的预留试块法 ， 也被 隧道衬砌 复杂 的施工 工艺和特殊 的养护环 境所限制 ，再加上预留试块 的数量较少和几何尺 寸有限等原因 ，其结果代表 性不足 ， 很难全面反映衬砌混凝土的质量。 超声 回弹综合 法是对 混凝 土质量进行无损检 测 的主要方法之一 。它先通过混凝土试块 的抗压 强度和 超声声速、 回弹值间的相关关系建立统一 的测强公式 ， 来表达结构混凝土强度和声速 、 回弹 值 的关 系 ； 然后 ， 利 用测强公式 ， 根据 对结构进 行 原位测试所 得的声速和回弹值对混凝土强度进行 评价 、 测定。由于该法简单方便 ， 可重复性好 ， 经济 便宜、 精度高 、 测试结果可靠等优势 ， 在道路 、 桥 梁 和 房屋 结构 等结构构件 的强度测试 中 ，已得到广 泛 的应 用和认可。但是 ， 将该方法应用于输水隧道 混凝 土衬砌强度测试 ， 相关研究和 工程实践较少。 所 以，若能将超声 回弹综合法 引入隧道衬砌 的强 度检测 以应 工程 之急 需 ，这不仅具有广 阔的应 用 前景 ，也会产生 明显 的经济价值和社会效益 。按 超声 回弹综合法检测混凝土强度 技术规程 ) ( CE C S 0 2 ： 2 0 0 5 ) 所述 ， 该规程主要是针对一般工 民 建 的板 、 梁 、 柱等 混凝土结构构件 ， 并未 涉及 隧道 衬砌。由于输水隧道是具有拱 、 墙组合结构的地下 23 工程施工 东北水利水电 2 0 1 1 年第 4期 构筑物 ， 具有许 多不 同于地表建筑 的特点 ， 将该规 程直接应用于隧道衬砌 ，其检测结果的可信度如 何?规程提 供的统一测强公式是进行强度推定 的 基础 ， 该公式应用于输水隧道是否适宜?对这些问 题 ， 已有的研究还未能妥善解决 。本文对隧道衬砌 混凝土的强度 厂和超声声速 、回弹值 R 的关系 进行比较 ，对超声 回弹综 合法如何应 用于公路隧 道衬砌这一问题进行探讨。 1 工程应 用 、 大伙 房输水 工程主体为 自流输水隧道 ，全长 8 5 3 2 k m， 采 用以掘进机为主 、 钻爆法 为辅的联 合 方式施工。 利 用超声 回弹综合 法检测大伙 房水库输水隧 道二次衬砌混凝土强度 ，同时在超声 回弹综合 法 检测测 区进行钻芯取样混凝土抗压试验 ，试验 结 果如表 1所示。 表 1 超声 回弹综 合法检 测及钻芯 抗压试 验结果对照表 表 1中超 声回弹换算强度采 用全 国统一测强 公式计算所得。 按 C E C S 0 2 ： 2 0 0 5 要求， 地区测强曲 线相对误 差不大于 1 4 1 P 满足要求 ，本文 中相对 误差最大值为 1 3 6 基本满足规 程要求 ， 说 明超 声回弹综合法对隧道 二次衬砌混凝土强度 的检测 满足精度要求 。该 方法在混凝土强度检测中具有 丰富经验及较高 的精 度 ，但在隧道 二次衬砌混凝 土检测 中相对误 差较 大。 2 检测 隧道衬 砌 强度影 响 因素 分析 1 ) 统一测强公式 的影响 按照 C E CS 0 2 ： 2 0 0 5规定 ，超声 回弹综合法检 测需建立 专用或地 区混凝土强度 曲线 ，选 用本地 区常 用水泥 、 粗 骨料 、 细骨料 ， 按照 常用配合 比制 作混凝土强度等级为 C1 0 一 C 6 0的标准立方体试 件 ， 通过试验和数理统计分析 ， 建立专用或地 区超 2 4 声回弹综合法检测混凝土抗压强度 的曲线。而本 文采用全国统一测强公式，对检测精度造成较大 影响。 2) 隧道衬砌应 力分布 比较复杂 按规程要 求 ，利用混凝土立方试 块的超声声 速 、 回弹值 R和抗压强度 厂 建立统一测强公 式 时 ， 混凝土试块是不受力的。对于隧道衬砌来说 ， 常 常是无法满足 的。众所周知 ， 在 围岩压 力、 结构 自重等作用下， 衬砌总是受到轴力、 剪力和弯矩等 多种形式的内力作 用， 并且 ， 衬砌 内部的应力分 布 还往往 比较复杂。而混凝土 的应力与超声声速 的 关系研究 ，现有的成果也主要集 中在简单应 力状 态下的应力对声速 的影响方面 ，在单轴应力状态 下。 混凝土、 岩石等 多孔材料在低应 力阶段 ， 随着应 力的增加 ， 材料 内的孔 隙、 裂 隙在与应力平行 的方 向上被压缩 变小 ，致使声波在混凝土中的传播距 离变短 ， 其 波速 将增加 ， 且增速较 快 ： 在与应 力相 垂直的方 向上 ， 超声声速对应 力的变化并不敏感 ， 声速基本不 变 ； 而在高应 力阶段 ， 随着孔隙 、 裂 隙 等被逐渐压 密 ，波速在平行于应力方 向上的增加 逐渐 变慢 以致停滞 ， 直至试块破坏 ； 在垂直应 力方 向上 ， 随着混凝土内微裂缝数量增 多和裂缝变大 ， 其声程增加 ， 波速将会 降低 。在复杂应 力状态下 ， 混凝土声速与应 力的关系研究 ， 还 比较少见。已有 的研究成果 ， 对这一问题的解决也很不理想。由于 隧道衬砌存在着应 力分布 ，而应力又对声速有 明 显的影响， 所以 ， 按不考虑应力的统一 测强公式进 行强度测定 ， 就有可能产生较大的误差。 3) 隧道 衬 砌 养护 条 件 的复 杂 性 按规 程要求 ，制定统一测强公式所 用的混凝 土试块 ， 必须 自然养护条件下进行养护 ， 对于隧道 衬砌来说 ， 在复杂多变的地质环境 中， 并可能 受到 地应 力、地下水 的化学腐蚀和地热等 因素的共 同 作 用 ， 与规程所要求的这一养护条件相 比， 隧道衬 砌 的养护环境就复 杂且具有特殊性。衬砌强度 的 养 护条件 与规程有较大差别 ， 混凝土是 由骨料、 水 泥凝胶和裂隙组成的非均质的粘弹塑性材料 ， 一 般说来 ，混凝土强度的形成和发展主要取决于水 泥凝胶 的硬化过程 ， 硬化过程进行得越充分 ， 混凝 土的强度就越高 ； 硬化过程越快 ， 混凝土的强度增 长就越快。已有研究表明， 水泥凝胶的硬化过程随 ( 下转第 2 8页 ) 矍蕉王一一 一 壅 水电 2 0 1 1 年第4 期 公路隧道质量检测中取得了较好的效果，并且已 经作 为规范推荐的检测手段 ，在水工隧洞上也有 广阔的应用前景。 但是， 目前地质雷达技术在经验、 理论、 雷达 图像 判实方面还有许 多不足 ，有待于进一步探讨 研究。在地质雷达无损检 测中 ， 主要有 以下不足 ： 实际探测 中雷达 采集 的数 据包含 了许 多干扰 波 ， 如环境干扰、 噪音干扰等， 另外雷达波速选取精度 有待提高 ， 雷达资料 的解释还处于研究探 索阶段 ， 还没有成熟的解释方法16 ， 因人而异， 解释者的经 验非常重要 。所以 ， 目前雷达波速在水工隧道衬砌 无损检测 中，考虑到波速随衬砌厚度、混凝土龄 期、 含水量、 砂率 以及 骨料 变化 的事实 ， 在雷达波 速选 择时最好采用实测法 ，这样在现有 的雷达探 测条件下 ， 可 以提高衬砌厚度探测的精度 。在分析 解释原始数据时 ， 尤其 当检测数据显示异常时 ， 要 充分掌握所探测工程详 细的原始 资料 ，通过其他 验证手段 ， 以便分析时借鉴对照 ， 使分析 结果尽可 能的准确。 参 考 文 献】 1 梁慧云 地质雷达新的地球物理勘探技术 I 国际 地震动态 ， 1 9 9 2 ( 0 9 ) ， 3 2 2 王清玉 I L A MA C G P R地质雷达探测技术及其应用 J 海 河水利 ， 1 9 9 9 ( 0 3) ， 2 0 3 刘胜峰 地质雷达应用于公路隧道衬砌无损检测的实验 研究 D 长沙理工大学 ， 2 0 0 7 4 s G Mi U a r d， L L A I - Qa d i C o a x i a l t r a n s m i s s i o n L i n e s ： De v e l o p me n t o f t e s t p r o c e d u r e s f o r c o n c r e t e J o 啪 a 1 o f ma t e r i a l s in c i v i l e n g i n e e fine ，2 001 ：20 22 08 5 贾华强 探地雷达方法在铁路隧道衬砌质量检测中的应 用 D 西南交通大学， 2 0 0 2 6 周俊峰， 吴汉杰 高速公路隧道检测中的地质雷达波形 分析及应用 1 西部探矿工程， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 1 2 8 1 3 0 7 黄玉华， 李超， 李文豪 用探底雷达法评估混凝土强度 I 国外建筑科技， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 6 7 【 收稿 日期 】 2 0 1 1 -0 1 - 0 5 ( 上接第 2 4页 ) 材料组成 、配合 比和养护情况等条件 的变化而变 化 ， 水泥凝胶 的硬化过 程最 长可达 5 0余 年 ； 水泥 凝胶的硬化时 间越长 强度就越高 ， 但增长速度将 逐渐 变慢以至停滞。在材 料种类 、 配合 比和施工工 艺相同的情况下 ，这种作用在同一隧道的不同地 段也不 同。 3 结论 对超声回弹综合法应用于公路隧道衬砌 的可 行性进行分析 、 研究 ， 结合 大伙房水库 输水 隧道 的 具体应用 ， 得出以下结论与认识 ： 1 ) 超声回弹法较 回弹法弥补了后者对混凝土 内 部 情况检测的不足 ，同时利用 了超声波检测法的 优点，根据在对应点钻芯取样后的外观及抗压试 验的验证 ， 更加突出超声回弹综合法的优势。 2 ) 超声回弹综合法检测输水隧道衬砌强度在建 立专用或地区测强 曲线时 ， 具有较高的精度和可操 作性， 为评价输水隧道衬砌强度提供数据依据。 28 3 ) 虽然建立专用或地区测强曲线需要大量试验 ， 但 由于该 法简单方便 ， 可 重复性 好 ， 精度高 ， 测试 结 果可 靠 ， 更具有长远经济效 益等 优势 ， 因此 ， 该 法具有较好的使用前景。 4 ) 由于现有规程对隧道衬砌在应力分布、 养护 环境和长龄期等方面考虑的不足 ， 使 用超声回弹综 合法进行衬砌强度测定时， 应进行相应的修正。 【 参考文 献 1 彭向宇、 王良之 超声波对泽丰水电站压力隧洞衬砌混 凝 土质量检测 J 湖 南水利 水 电，2 0 0 7 ( 2) 2 C E C S 0 2 ： 2 0 0 5 ， 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规 程 s 3 胡卫东 超声回弹综合法检测岳阳地区混凝土抗压强度 曲线的建立 1 混凝土， 2 0 0 5 ( 3 ) 4 徐国孝 修订后的超声回弹综合法与回弹法的主要区别 门 浙江建筑， 2 0 0 6 ( 4 ) 【 收稿 日期】 2 0 1 1 0 1 2 4