无损检测方案隧道质量.doc

隧道质量的无损检测方案
一、隧道质量无损检测的内容
隧道质量无损检测分为以下几项检测内容：浇灌混凝土的强度检测、钢筋保护层厚度的检测、混凝土衬砌质量检测和锚杆拉拔力、长度、饱满度检测。
二、隧道无损检测方法
2.1 地质雷达检测混凝土衬砌质量
2.1.1 检测内容、方法的选定
隧道混凝土衬砌质量检测包括：①隧道衬砌厚度，②隧道衬砌背后未回填的空区，③复合式衬砌中两层衬砌间较大的空段，④施工时坍方位置及坍方的处理情况，⑤衬砌混凝土强度。有时还可检测围岩中地下水向隧道侵入的位置。衬砌混凝土质量的现场检测，曾经常采用电阻率法、瑞利面波波速法等来检测前面的①-④项，近年来采用地质雷达检测混凝土质量得到了广泛的应用，用地质雷达检测混凝土衬砌质量。
2.1.2 检测仪器选定
检测采用SCCI公司出产的SIR-3000型地质雷达，根据需要探测的深度选定天线的频率，天线选用450～500MHz的工作天线检测厚于20～30cm的衬砌厚度。
2.1.3 检测步骤
2.1.3.1 测线布置
隧道的轴向检测：沿隧道拱部轴向布置5条测线：拱顶、左拱腰和右拱腰、以及左边墙和右边墙。检测其中的3条线，拱顶必须检测，当检测的其它两条线在隧道拱顶的一侧时，每测300m应换边检测。
隧道的横向检测：沿隧道每50米布置一条剖面线，检测该条线。
本次检测的隧道长8317m,检测的轴向长度为8317m×3=24951m,横向共设166条剖面线，检测的横向长度为166×24m=3984m，共需测28935m。
2.1.3.2 介质参数标定
检测前对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，对隧道长度小于3km的隧道，取一处进行实测，实检不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速。当隧道长度大于3km，应适当增加标定点数。标定采用以下方法的其中一种：①在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；②在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；③钻孔实测。求取参数应具备两点：①标定目标体的厚度一般不小于15cm，且厚度已知；②标定记录中界面反射信号应清晰、准确。标定结果按下式计算：
（1-1）
（1-2）
式中： —相对介电常数；
v—电磁波速（m/s）；
t—双程旅行时间（ns）；
d—标定目标体厚度或距离（m）。
2.1.3.3 工作步骤
1、在卡车车厢上或铁路平板车上用钢管搭架并铺木板制成工作平台。
2、检查主机、天线以及运行设备，使之均处于正常状态。
3、检测：检测时，将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线以5km/h左右的速度滑动，由雷达仪主机高速发射雷达脉冲，进行快速连续采集。为保证点位的准确，在隧道壁上每5m或10m作一标志，标上里程。当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号，在雷达记录中每5m或10m作一里程标记。内业整理资料时，根据标记和记录的首、末标及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程。
2.1.4 地质雷达的资料处理与解释
2.1.4.1 资料处理和编录整理以及设计资料的汇集
现场采集的数据要经过滤波、去噪、均衡等处理，打印成时间剖面图。为了使图纸的计算与实际里程相符，必须在图纸上标注里程及5或10m的间隔标记，并要将一些特殊情况，如电气化线路隧道中的锚节点位置、隧道中的变截面位置、灯或通风机位置等标于图上。
对隧道衬砌质量作检测和评价，还必须掌握该隧道的设计情况，如围岩分类、设计参数、施工方法和步骤等，特别是长隧道，地质复杂，设计参数变化多，有时还由不同单位分段施工，掌握这些资料，对探查资料判释和隧道质量评价很有必要。

图1  在在建隧道中用铺设防水板的全断面工作台架作检测（用装载机牵引）
2.1.4.2 资料处理及判释： 
1、数椐处理步骤：

图2 数据处理与解释流程图
2、介电常数（）和电磁波速（v）的确定
由式（1-1）和（1-2）计算确定介电常数（）和电磁波速（v）。
2.1.4.3 资料的分析原则
1、二衬砌界面的判识
在探地雷达图像的上部，一般振幅较强，同轴同相比较连续的第一组波形为衬砌界面反射信号。界面判识后输入正常的介电常数值，即可由计算机自动计算出衬砌厚度值，厚度的计算公式为：
（1-3）
2、钢拱架位置及判识
在地质雷达图像中，电磁波遇到钢筋时产生极强的反射，反射波的位置为钢筋距测试面的距离（背水面保护层厚度）；通过滤波处理，确定各里程段钢筋拱架分布情况及背水面保护层厚度。
3、衬砌混凝土缺陷及位置判识
由于衬砌混凝土与空气的相对介电常数的差异较大，所以探地雷达图像中表现为振幅较强的界面反射信号（多次波），空洞的明显特征就是有强烈的多次反射，波从相对介电常数大的物质（C20混凝土为8左右）进入相对介电常数小的物质（空气为1）中时，根据波动原理，在上界面处会先叠加为负波，可在雷达图像中准确拾取界面反射的双程旅时，根据公式求得缺陷的位置；衬砌不密实可能是由于混凝土离析振捣造成的，从波形特征与空洞的反射相似，但反射很弱；混凝土中有钢筋时也会产生反射，波从相对介电常数小的物质（C20混凝土为8左右）进入相对介电常数大的物质（钢筋为∞）中时，根据波动原理，在上界面处会先叠加为正波。
对于复合衬砌隧道,当第一次衬砌与第二次衬砌之间存在空隙时,界面上读取的厚度值为隧道的二次衬砌厚度，若二者密贴良好，则为一、二次衬砌合值；对于非复合衬砌隧道,该界面上读取的厚度值即为隧道的衬砌厚度值。
2.1.5 雷达探查的典型图象
2.1.5.1 衬砌界线
混凝土衬砌、喷射混凝土与围岩（或其间空区中的空气）有明显的介电常数差，因此在时间剖面图上，衬砌底面和岩石之间有明显的界线。雷达发射的直达波延续4个周期以上，0～12ns左右的目标物的反射波均与它相叠。雷达的直达波呈现几条平直的水平同相轴的图像，而围岩开挖总有或大或小的不平，故衬砌底界，即它与围岩的分界面的反射波同相轴一般为有起伏的非直线图像，这是很易辨认的。喷射混凝土与模筑衬砌介电常数有差别，但不是很大，它们之间若接触很好或粘结，则可能没有明显的反射波或仅有微弱的反射波。如果喷射混凝土中有钢质拱架和钢筋网，则由于它们可强烈地反射雷达波，故可看到连续的绵延的反射图像。
2.1.5.2 拱架与钢筋网
在地质雷达图像中，电磁波遇到钢筋时产生极强的反射，反射波的位置为钢筋距测试面的距离（背水面保护层厚度）；通过滤波处理，确定各里程段钢筋拱架分布情况及背水面保护层厚度。

图3 混凝土中布置的钢筋网
图3中由于钢筋的界电常数为∞，图中可见连续的小双曲线反射，这是钢筋网的代表性反射图。

图4  典型的格栅钢架反射
图4中两标距之间为10米，每10米的钢架为9榀达到了设计要求。
2.1.5.3 衬砌混凝土缺陷
混凝土内部缺陷包括欠密实、脱空等现象，欠密实其表现为波形杂乱且不连续的反射波形。

图5 复合衬砌与围岩间的不密实带

图6某隧道仰拱部位混凝土中出现的不密实区
2.1.6 提高检测精度的措施
 2.1.6.1 详细了解检测区间物理状态
衬砌层物理状态的变化直接影响到雷达波的变化，影响因素主要是含水量的变化、检测面平整度、衬砌层砼材料配比变化、衬砌层结构变化。隧道检测有许多条测线，分若干次检测，每条检测的衬砌层物理状态变化情况并不完全一致，这就需要较为详细地了解设计资料、隧道的施工记录，同时在检测过程中还要做好外业记录(如渗水、平整度等)。只有这样才能根据客观情况，有针对性地对地质雷达资料进行合理的分析。
2.1.6.2 合理布置取芯点位
影响检测精度的主要问题是标定的地质雷达的电磁波速度，根本问题是不同区间介质物理状态的变化，实质问题是介电常数的变化。当使用地质雷达进行隧道检测时，合理布置用于标定雷达波速的取芯点位，对衬砌层在不同物理状态下的雷达波速进行分别统计，并分析雷达波速的变化规律，有效控制因雷达波速的误差带来的探测偏差或较大误差。
2.1.6.3 注意区分多次反射信号
衬砌层厚度相对较薄，且内部结构比较复杂，衬砌层的面层和内部结构层会形成多次反射信号，多次反射信号可能与内部结构界面形成的反射信号重叠或偏离，当多次反射信号与雷达波同相轴存在连续性偏离的情况下，容易对结构界面的厚度误判。不平整的表面由于与天线不能紧密结合时，也会形成反射界面，同时会有若干个多次反射信号。注意区分多次反射信号，是避免地质雷达资料判读偏差的重要环节。
2.2 锚杆拉拔力、长度、饱满度的检测
2.2.1 锚杆拉拔力的检测
2.2.1.1 检测内容、方法的选定
锚杆拉拔力的检测主要检测锚杆的拉拔力，用锚固力拉拔检测仪来测量，锚固力拉拔检测仪由专用拉拔千斤顶(含超高压油缸、穿心式活塞顶杆、杆件锚具夹头、底座以及快装接头等)、高压胶管总成以及高压油泵组成。
2.2.1.2 检测仪器选定
检测仪器采用ZHENYOU（真友）LDZ—300锚杆拉力计 
2.2.1.3 抽检拉拔力、抽检数量和测点布置
测量锚杆拉拔力所使用的拔力平均值≥设计值，最小拔力≥90%设计值，抽检数量按锚杆数1%且不少于3根做拔力试验。本批锚杆大约40000根，需抽检400根，测点选择在沿隧道的轴线方向有锚杆的地段均匀分布这400根锚杆抽检。
2.2.1.4 工作步骤
1、准备工作
工作环境安全检查：认真检查试验地点的顶板支护、通风、设备等安全状况，排除安全隐患，停止影响锚杆拉力试验的一切工作。
2、设备检查：
1）检查油量：逆时针方向打开拉力计手压泵的卸荷阀，使千斤顶中的液压油回到手压泵的油筒中，拧开油筒端的堵头，抽出油标检查。如油量不足，应加注符合要求的机械油或液压油，直到油位符合要求。
2）排气：液压油路系统联结好以后，必须进行排气。排气的方法是：把手压泵放在比千斤顶稍高的地方，摇动手压杆，使千斤顶活塞伸出，再打开卸荷阀，使活塞缩回，连续几次即可。排气时不能加压。
3）设备连接：用高压软管两端的快速接头配合专用卡子将千斤顶和手压泵连接起来。连接时应检查接头处是否有污物，严防污物进入接头内。
4）对锚杆拉力计各部件进行检查，使其符合使用要求。
3、工作步骤
1）连接拉力计：把锚杆拉力计的加长杆拧到待测锚杆末端并上满丝，再套上衬套及千斤顶，使活塞伸出端朝外，最后拧紧螺母。
2）拉力测试：将手压泵的卸荷阀顺时针拧紧，压动手压泵压杆，用力要均匀，不要用力过猛。当压力表上的读数达到规定的数值后停止，并详细作好记录。
3）拆卸拉力计：检测完毕，逆时针方向缓慢松开卸荷阀，使压力表指针降到零位，千斤顶活塞全部缩回。再把各部件从锚杆上卸下，将锚杆拉力计放回专用工具箱内。
4）锚固力检测后，要重新紧固螺母，并使其达到设计预紧力。检测不合格的锚杆应做好标记并安排补打锚杆。
5）注意事项
（1）拉拔锚杆时，人员应躲至千斤顶周围的安全地点。
（2）锚杆杆尾直径一旦出现缩径时，应立即卸载。
（3）使用锚杆拉力计时，加压应缓慢均匀，一般不超过其设计值的90％。
（4）高压软管应定期进行打压试验，严禁使用不合格的软管。
（5）当设计变更或材料变更时，应及时进行锚杆拉力试验。
（6）锚杆拉力计应统一管理、定期校验，使其保持完好。
6）收尾工作
锚固力检测工作完成后，将锚杆拉力计等工具收好，放回专用工具箱内。检测结果及时通报当班负责人及有关领导。
7）资料整理
把现场记录好的资料整理成档，并分析抽检结果，得出锚杆的合格率，上报相关单位。
2.2.2 锚杆长度、饱满度的检测
2.2.2.1检测内容、方法的选定
对于锚杆长度和饱满度的检测，检测方法有拉拔法、钻孔法和应力波反射法。前两种方法是传统的检测方法，只能限于抽检，而且都是破坏性的、操作麻烦；而应力波反射法利用锚杆质量检测仪或声波检测仪检测锚固系统，是综合分析和研究接收到的反射波，来对锚固系统的锚杆长度、注浆饱满度等指标进行综合判定，该方法以其无损、经济、快速、可靠等优点被广泛使用。
2.2.2.2 检测仪器选定
检测仪器选用LX-10E锚杆质量检测仪
2.2.2.3 抽检数量和测点布置
检数量按锚杆数3%且不少于3根做锚杆长度和饱满度试验。本批锚杆大约40000根，需抽检1200根，测点选择在沿隧道的轴线方向有锚杆的地段均匀分布这1200根锚杆抽检。
2.2.2.4 检测步骤
1、准备工作
工作环境安全检查：认真检查试验地点的顶板支护、通风、设备等安全状况，排除安全隐患，停止影响锚杆拉力试验的一切工作。
2、设备检查
检查信号电缆线、数据传输线等是否连接好，检查主机、加速度检波器以及运行设备，使之均处于正常状态。
3、工作步骤
1）新建工地名和工程名；
2）设置仪器的参数：包括对波速、采集方式、增益、工作模式等项进行相关设置；
3）工程测量：由一人操作主机、一人负责传感器的布局，当检测到触发器产生的信号，便在数字示波器上显示相应的波形，能过数字示波器上的不同按键对波形进行详细分析与保存；
4）测量完成后将仪器等工具收好，放回专用工具箱内。
2.2.2.5 资料整理
把现场保存的波形传输到电脑上，对波形进行分析，分析出锚杆的质量好坏，并对资料进行归档。并上报相关单位。

表1 锚杆锚固质量弹性波检测分类评价表

图7 锚固质量为优质的锚杆检测数据曲线

图8 锚固质量为良好的锚杆检测数据曲线

图9 锚固质量为一般的锚杆检测数据曲线
图10 锚固质量为差的锚杆检测数据曲线
表2 灌浆锚杆质量的试用指标
锚杆的长度直接可以从仪器上读出，如图11。

图11 锚固质量为优质的锚杆检测数据曲线，饱满度95.9%，长度为7.97m