鉆芯法與回彈法在隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)中的應(yīng)用分析

張 智

(中國(guó)鐵路總公司工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，北京 100038)

混凝土是隧道工程建設(shè)使用最為廣泛的建筑材料，混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣影響到隧道襯砌結(jié)構(gòu)的適用性、安全性和耐久性，并直接制約著隧道工程經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的發(fā)揮?；炷烈r砌質(zhì)量的檢控中，保證強(qiáng)度是基本要求?；炷翆?shí)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)分為同條件養(yǎng)護(hù)預(yù)留試件檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)和微破損檢測(cè)，其中常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)和微破損檢測(cè)方法有鉆芯法、回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法、后裝拔出法。鉆芯法、回彈法應(yīng)用最為廣泛，常用于隧道襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。

本文對(duì)目前在隧道襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中常用的鉆芯法與回彈法的技術(shù)要點(diǎn)及檢測(cè)影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)兩種檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其相關(guān)性及工程應(yīng)用的適用性，為工程應(yīng)用提供借鑒。

1 鉆芯法與回彈法檢測(cè)方法

1.1 方法簡(jiǎn)介

1)回彈法是基于混凝土的抗壓強(qiáng)度與其表面硬度之間存在的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)回彈儀的彈擊錘以一定的彈力打擊在混凝土表面上，其回彈值與混凝土表面硬度呈一定的比例關(guān)系，根據(jù)表面硬度可推求混凝土的抗壓強(qiáng)度。回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、檢測(cè)迅速，且混凝土不會(huì)破損等優(yōu)點(diǎn)，適合用作混凝土強(qiáng)度普查。該方法影響因素較多，容易產(chǎn)生較大誤差，應(yīng)掌握正確的使用方法，注意回彈儀的保養(yǎng)和維護(hù)，以減少測(cè)量誤差。

2)鉆芯法是利用專(zhuān)用鉆機(jī)直接從結(jié)構(gòu)上鉆取圓柱體混凝土芯樣，并根據(jù)芯樣的抗壓強(qiáng)度評(píng)定結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量的一種直觀(guān)、可靠、準(zhǔn)確的微破損檢測(cè)方法，可作為混凝土質(zhì)量抽查及無(wú)損檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證。鉆芯法直接在混凝土實(shí)體上鉆取樣品進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，會(huì)對(duì)混凝土構(gòu)件造成一定破壞，不適于用作混凝土強(qiáng)度普查。

1.2 兩種檢測(cè)方法的互補(bǔ)性

鉆芯法具有直觀(guān)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，常被用于無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證、爭(zhēng)議處理與仲裁、質(zhì)量問(wèn)題調(diào)查。但因其屬于局部破損檢測(cè)，一般不宜大量取芯，也不宜采用鉆芯法按批檢測(cè)與評(píng)定。此外，同一結(jié)構(gòu)構(gòu)件雖然強(qiáng)度等級(jí)相同，但是實(shí)際強(qiáng)度并非恒定值，不同部位的強(qiáng)度亦有一定的離散性，因此，用局部的小孔芯樣反映整個(gè)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度，尚存在隨機(jī)性。

回彈法具有檢測(cè)速度快、費(fèi)用低、測(cè)區(qū)多、檢測(cè)全面等特點(diǎn)，在工程中被廣泛應(yīng)用，近年來(lái)被應(yīng)用于隧道襯砌強(qiáng)度檢驗(yàn)與普查，但該方法影響測(cè)試結(jié)果的因素多，檢測(cè)誤差大，其準(zhǔn)確度有時(shí)難以保證。

為充分利用回彈法與鉆芯法的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，科學(xué)、合理、有效評(píng)價(jià)隧道襯砌混凝土強(qiáng)度，應(yīng)采用回彈法與鉆芯法相結(jié)合的綜合檢測(cè)方法。同時(shí)，研究?jī)烧叩南嚓P(guān)關(guān)系，避免盲目應(yīng)用，提高檢測(cè)精度，保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。

2 提高檢測(cè)精度的措施

2.1 回彈法

1)回彈儀的工作狀態(tài)。須滿(mǎn)足鋼砧率定值80±2，維護(hù)保養(yǎng)應(yīng)及時(shí)，數(shù)顯回彈儀的示值須一致，這些是根本保障，容易被忽略。

2)測(cè)區(qū)的布置。對(duì)于隧道襯砌施工在混凝土表面形成浮漿過(guò)厚、粗糙、局部不密實(shí)的現(xiàn)象，若不能合理避開(kāi)，必然會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外質(zhì)量差異大的現(xiàn)象，回彈不能準(zhǔn)確反映混凝土內(nèi)部強(qiáng)度。

3)檢測(cè)面的選擇。若非對(duì)質(zhì)量有懷疑或爭(zhēng)議，檢測(cè)部位應(yīng)盡量布置于豎直邊墻處，方便操作且回彈數(shù)據(jù)不需要角度修正，準(zhǔn)確度高。

4)表面狀態(tài)記錄。要詳盡、準(zhǔn)確，清楚記錄測(cè)試部位的表面潮濕程度，一般情況下在建隧道襯砌常會(huì)出現(xiàn)表面泛潮甚至表面泛水，會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致測(cè)試回彈值偏低、數(shù)據(jù)離散。

5)測(cè)區(qū)表面清理。隧道襯砌施工后，通常由于開(kāi)挖、掘進(jìn)、出渣、初支混凝土噴射，粉塵較大、表面積灰較厚，若不能清理干凈必然會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。同時(shí)應(yīng)避免過(guò)度清理，有些檢測(cè)人員為防止表面積灰及表面浮漿對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，采用磨光機(jī)磨出深約3～5 mm深的測(cè)試面，然而測(cè)試結(jié)果并不理想，其回彈推定強(qiáng)度偏低，而實(shí)際上鉆芯取樣強(qiáng)度合格，分析其原因，可能是打磨過(guò)深時(shí)導(dǎo)致表面不平整，從而使回彈儀探桿不能充分接觸混凝土面，測(cè)試回彈值偏低?？梢?jiàn)表面清理要合理、適度，以干凈、平整為宜。

6)測(cè)試操作的規(guī)范性。應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范操作要求，垂直接觸后靜壓，避免在測(cè)區(qū)內(nèi)小范圍或一個(gè)點(diǎn)附近反復(fù)彈擊，防止傾斜沖擊等現(xiàn)象。

7)碳化深度測(cè)量。影響碳化深度測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度的因素較多，微小局部不密實(shí)處混凝土與空氣中二氧化碳接觸面較大較深，其碳化較深，混凝土致密處碳化較淺，因此碳化深度測(cè)試部位的選擇要有代表性，碳化深度測(cè)試要規(guī)范。

2.2 鉆芯法

1)芯樣鉆取及運(yùn)輸。鉆芯、運(yùn)輸過(guò)程中，如果操作不當(dāng)，也會(huì)引起強(qiáng)度折減，應(yīng)引起充分重視，盡量避免。在鉆芯取樣過(guò)程中，鉆芯機(jī)應(yīng)具有足夠的剛度、操作靈活、固定和移動(dòng)方便，并應(yīng)有水冷卻系統(tǒng)。鉆頭應(yīng)無(wú)缺損，避免鉆取過(guò)程中鉆機(jī)顫抖及卡鉆，造成芯樣圓柱面出現(xiàn)波紋狀或混凝土微損傷，避開(kāi)鋼筋特別是主鋼筋。芯樣運(yùn)輸前應(yīng)進(jìn)行包裝固定，避免局部懸空、碰撞，搬運(yùn)時(shí)輕拿輕放，避免磕碰受損。

2)芯樣加工和試驗(yàn)。加工過(guò)程中應(yīng)剔除有缺陷的、尺寸偏差不符合要求及內(nèi)含鋼筋不符合要求的試件。芯樣切割端面應(yīng)平整，與芯樣軸向要垂直。嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行端面磨平或補(bǔ)平，芯樣高徑比盡量為1或略大。芯樣在抗壓試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)機(jī)的加載速度，避免沖擊式加載。

3)濕度條件的控制。隧道在建設(shè)過(guò)程中尤其是斜井通風(fēng)條件不暢時(shí)，水汽較大，混凝土表面潮濕。一般在隧道貫通后正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中表面處于干燥狀態(tài)，故在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)宜按干燥條件考慮。

3 隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)的要點(diǎn)

3.1 構(gòu)件選取

與房屋建筑、橋梁結(jié)構(gòu)物不同，隧道襯砌具有整體連續(xù)性。一般情況下，每板混凝土具備相同齡期及設(shè)計(jì)參數(shù)，因此可將每一板混凝土襯砌作為一個(gè)獨(dú)立構(gòu)件進(jìn)行評(píng)定。隧道施工安全要求隧道開(kāi)挖后立即進(jìn)行初期支護(hù)及襯砌施工。隧道圍巖變化較大，使得每板混凝土之間設(shè)計(jì)參數(shù)、齡期不同，因此，隧道襯砌實(shí)體混凝土強(qiáng)度檢測(cè)一般不具備批次檢測(cè)與評(píng)定條件，通常以一板混凝土作為一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。

對(duì)于隧道襯砌混凝土強(qiáng)度抽檢與驗(yàn)收評(píng)定，一般情況下隧道襯砌混凝土齡期宜＞56 d，冬季施工時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足1 200℃·d的要求，隨機(jī)抽取構(gòu)件或?qū)|(zhì)量可能存在問(wèn)題的構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 檢測(cè)部位

考慮到鉆孔后的修補(bǔ)問(wèn)題，以及列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，一般情況下檢測(cè)部位宜選擇在左右邊墻部位，鉆芯取樣前宜采用鋼筋掃描設(shè)備進(jìn)行定位以避開(kāi)鋼筋。

3.3 檢測(cè)數(shù)量

鉆芯法屬于微破損檢測(cè)，通常用于無(wú)損檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證及隧道混凝土強(qiáng)度監(jiān)督抽查，鉆芯量不宜太大。一般情況下，每個(gè)構(gòu)件(每板襯砌混凝土)鉆取1組3個(gè)芯樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?；貜椃總€(gè)構(gòu)件布置不少于10個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)在兩側(cè)邊墻上均勻布置。

4 工程實(shí)例分析

針對(duì)某工程隧道的襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行鉆芯法與回彈法對(duì)比試驗(yàn)，共選取10座隧道，屬于在建隧道，均未貫通，大部分構(gòu)件齡期為60～180 d，混凝土表面碳化程度較輕，碳化深度0～1 mm。共對(duì)37板襯砌進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中29板混凝土表面狀態(tài)為干燥，8板混凝土表面狀態(tài)為潮濕。每板襯砌(每個(gè)構(gòu)件)回彈10個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)尺寸200 mm×200 mm，每個(gè)測(cè)區(qū)布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)區(qū)大致等間距布置于隧道邊墻，每板混凝土鉆取1組3個(gè)試件，芯樣直徑100 mm，鉆芯孔位于回彈測(cè)區(qū)內(nèi)，先進(jìn)行回彈測(cè)試后進(jìn)行鉆芯取樣，回彈強(qiáng)度采用統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。為研究鉆芯法與回彈法結(jié)果的相關(guān)性及回彈法在隧道襯砌檢測(cè)的適用性，本文將干燥與潮濕構(gòu)件的測(cè)試數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計(jì)，并繪制鉆芯強(qiáng)度與回彈強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土芯樣強(qiáng)度與回彈強(qiáng)度的關(guān)系

圖1(a)中，29板干燥混凝土襯砌回彈強(qiáng)度與鉆芯強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)R為0.76，回彈強(qiáng)度隨鉆芯強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，二者有較好的相關(guān)性。圖1(b)中8板潮濕混凝土的回彈強(qiáng)度與鉆芯強(qiáng)度沒(méi)有明顯相關(guān)性，其線(xiàn)性趨近線(xiàn)表現(xiàn)為回彈強(qiáng)度隨芯樣強(qiáng)度的增加而減少，顯然是不合理的。對(duì)37板混凝土襯砌的回彈數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)混凝土表面潮濕時(shí)，8板混凝土中有6板混凝土回彈測(cè)試的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差δ＞5 MPa，占75%，而29板干燥構(gòu)件δ＞5 MPa的只有2組，僅占6.9%。可見(jiàn)，對(duì)于潮濕隧道襯砌，采用回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)，離散性大，與鉆芯芯樣強(qiáng)度的相關(guān)性差，不宜采用回彈法進(jìn)行隧道襯砌混凝土的強(qiáng)度評(píng)定。

為便于分析，當(dāng)回彈或鉆芯強(qiáng)度推定值低于該構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)視為不合格?；貜椃ú捎媒y(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線(xiàn)并按照文獻(xiàn)［1］的規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度推定，鉆芯法取構(gòu)件3個(gè)芯樣強(qiáng)度的最小值作為構(gòu)件強(qiáng)度推定值。29板混凝土中，回彈強(qiáng)度不合格的有10板混凝土，其中9板混凝土鉆芯結(jié)果亦不合格，占回彈不合格總數(shù)的90%。鉆芯結(jié)果合格的1板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35，回彈強(qiáng)度 29.2 MPa，鉆芯強(qiáng)度值35.9 MPa，略高于設(shè)計(jì)值。由此可見(jiàn)，對(duì)于碳化深度較淺、齡期較短的干燥混凝土襯砌，采用回彈法檢測(cè)時(shí)與鉆芯法檢測(cè)的結(jié)果一致性較好。

本次對(duì)比試驗(yàn)中，回彈強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差δ＞5 MPa的全部8板隧道襯砌中，有6板回彈推定強(qiáng)度不合格，但采用鉆芯對(duì)比驗(yàn)證僅有2板強(qiáng)度不合格?？梢?jiàn)，當(dāng)回彈測(cè)試結(jié)果離散時(shí)，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差δ偏大，若δ＞5 MPa時(shí)，構(gòu)件回彈推定強(qiáng)度易出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，應(yīng)分析原因并輔以適當(dāng)驗(yàn)證，以免造成誤判。

5 結(jié)論與建議

本文簡(jiǎn)要闡述了鉆芯法與回彈法的特點(diǎn)、影響測(cè)試精度的因素，以及隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)，并結(jié)合某工程10座隧道的鉆芯法與回彈檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明:

1)對(duì)于潮濕混凝土襯砌，當(dāng)采用回彈法檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)離散，與鉆芯結(jié)果一致性差，應(yīng)采用鉆芯法或其他方法進(jìn)行檢測(cè)。

2)對(duì)于碳化深度較淺的干燥混凝土襯砌，采用回彈法檢測(cè)時(shí)，回彈強(qiáng)度與芯樣強(qiáng)度相關(guān)性較好，回彈推定結(jié)果與鉆芯法一致性較好，適合于隧道襯砌檢測(cè)。當(dāng)對(duì)回彈結(jié)果有懷疑時(shí)，宜采用鉆芯法對(duì)比驗(yàn)證。

3)采用回彈法進(jìn)行隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)，當(dāng)回彈強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差＞5 MPa時(shí)，易出現(xiàn)回彈不合格現(xiàn)象，應(yīng)綜合分析，適當(dāng)驗(yàn)證，減少誤判。

4)采用鉆芯法與回彈法相結(jié)合檢測(cè)襯砌混凝土強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行儀器保養(yǎng)、檢定，并嚴(yán)格控制不同方法的應(yīng)用條件，規(guī)范檢測(cè)程序，減少檢測(cè)誤差，提高精度和可靠性。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10426—2004 鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［2］中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS03:2007 鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 23—2011 回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］胡在良，李晉平，張佰戰(zhàn).混凝土強(qiáng)度鉆芯法檢測(cè)與評(píng)定的若干問(wèn)題分析［J］.鐵道建筑，2012(11):131-134.

［5］鄧濤，楊林德，李雷.公路隧道混凝土襯砌強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法研究［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(3):70-73.