隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)研究

彭 小 慶

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

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隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)研究

彭 小 慶

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

介紹了襯砌施工強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了超聲回彈綜合法檢測(cè)隧道襯砌強(qiáng)度的原理，并闡述了該檢測(cè)方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用，為隧道襯砌施工強(qiáng)度的檢測(cè)與控制提供了依據(jù)。

隧道，襯砌施工，強(qiáng)度檢測(cè)，超聲回彈綜合法

0 引言

近年來，隨著我國高速公路和鐵路工程的大量建設(shè)，隧道工程發(fā)展迅速，對(duì)隧道的建設(shè)和運(yùn)營質(zhì)量提出了更高的要求。但由于我國隧道建設(shè)起步較晚，經(jīng)驗(yàn)欠缺，且隧道技術(shù)的難度和要求高，導(dǎo)致隧道在建成運(yùn)營過程中常出現(xiàn)一些病害問題，比如隧道二次襯砌開裂、滲水、凈空縮小、路面起伏不平等。其中，二次襯砌質(zhì)量問題對(duì)隧道工程的建設(shè)及運(yùn)營質(zhì)量起著非常重要的作用，在襯砌工程中常出現(xiàn)的問題有襯砌侵限、厚度不夠、強(qiáng)度不足、鋼筋缺失、混凝土蜂窩、背后及內(nèi)部存在空洞及不密實(shí)等。因此，在隧道二次襯砌工程中，迫切需要采取高效的檢測(cè)技術(shù)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量的有效控制。為全面研究隧道襯砌施工強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)，本文首先分析隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，然后重點(diǎn)分析目前應(yīng)用最為先進(jìn)的技術(shù)——超聲回彈綜合法，并在此基礎(chǔ)上，依托四川某隧道工程實(shí)例，分析超聲回彈綜合法的應(yīng)用，為我國隧道襯砌施工強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 襯砌施工強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程

對(duì)于隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)，鉆芯取樣法是一種最直接、穩(wěn)定、可靠的方法，然而，這種方法存在施工不便、成本較高、導(dǎo)致襯砌局部破損以及影響外觀等缺點(diǎn)，不利于其進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。常規(guī)的預(yù)留試塊法也是一種檢測(cè)隧道襯砌強(qiáng)度的技術(shù)，但由于施工工藝復(fù)雜、養(yǎng)護(hù)困難，同時(shí)受到試件數(shù)量和尺寸的限制等原因，極容易影響檢測(cè)結(jié)果的可靠性，并不能有效的反映隧道襯砌混凝土的強(qiáng)度。

隨著我國檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，回彈檢測(cè)法作為一種重要方法，在工程檢測(cè)中被大量推廣應(yīng)用，主要是由于回彈法的試驗(yàn)檢測(cè)費(fèi)用較低，工藝簡(jiǎn)便，且不受構(gòu)件特征約束。但是，回彈法存在許多的缺點(diǎn)，如檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際抽芯試壓值結(jié)果對(duì)比區(qū)別較大，造成這一原因的影響因素較多，如測(cè)試角度、混凝土的澆筑面、模板的材料特征、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和環(huán)境等。其中，造成回彈法檢測(cè)結(jié)果存在誤差的最主要原因是由回彈法的檢測(cè)原理造成的，回彈法主要是通過混凝土的抗壓強(qiáng)度與混凝土的表面硬度的關(guān)系來獲取混凝土的強(qiáng)度，但是在養(yǎng)護(hù)中混凝土的氫氧化鈣組分易與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鈣，導(dǎo)致混凝土表層硬化，這大大影響了回彈法的檢測(cè)精度，使得回彈法檢測(cè)結(jié)果僅僅反映的是混凝土表層厚度約3 cm的強(qiáng)度，而不能有效反映混凝土的內(nèi)部強(qiáng)度。

另一種檢測(cè)隧道襯砌強(qiáng)度的技術(shù)方法為超聲檢測(cè)法，這種方法已在隧道檢測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。顧名思義，超聲法是利用超聲波檢測(cè)儀，借助混凝土中超聲脈沖波的傳播速率，通過獲取各種聲學(xué)參數(shù)以及計(jì)算不同聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，得出混凝土結(jié)構(gòu)中的缺陷問題，這一方法施工簡(jiǎn)便，且準(zhǔn)確率較高。

超聲回彈綜合法則集合了回彈法與超聲檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)，互相彌補(bǔ)不足，相輔相成，是目前國內(nèi)外研究最多、應(yīng)用最廣泛的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)方法。

2 超聲回彈綜合法檢測(cè)隧道襯砌強(qiáng)度

回彈法容易受到混凝土齡期的影響，在混凝土齡期低的情況下，混凝土表層潮濕，所得到的回彈值結(jié)果偏小，相反，隨著混凝土齡期的不斷增大，混凝土表層發(fā)生反應(yīng)造成表面硬化，導(dǎo)致回彈值偏大。對(duì)于超聲檢測(cè)法來說，混凝土的齡期低時(shí)，由于混凝土潮濕，使得超聲波傳播速度偏大，而在混凝土齡期高的情況下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)干燥，超聲波的傳播速度偏小。因此，結(jié)合以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，誕生了一種全新的、更加高效、精度更高的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)法，即為超聲回彈綜合法。

超聲回彈綜合法為通過借助低頻超聲波檢測(cè)儀和回彈儀，檢測(cè)混凝土構(gòu)件的同一測(cè)區(qū)位置，獲取超聲波的傳播速度和回彈值，然后根據(jù)反映混凝土強(qiáng)度與其之間關(guān)系的公式，計(jì)算得出混凝土的強(qiáng)度。我國規(guī)范要求的混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

(1)

其中，fi為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件第i個(gè)測(cè)區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度換算值；Vai為修正后結(jié)構(gòu)或構(gòu)件第i個(gè)測(cè)區(qū)混凝土聲速代表值；Rai為修正后結(jié)構(gòu)或構(gòu)件第i個(gè)測(cè)區(qū)混凝土回彈代表值；a，b，c均為不同粗骨料的品種系數(shù)。若粗骨料為卵石，則a=0.003 8,b=1.23,c=1.95；若粗骨料為碎石，則a=0.008,b=1.72,c=1.57。

1)回彈值與超聲聲速值的處理。

在超聲回彈綜合法檢測(cè)隧道襯砌強(qiáng)度過程中，首先對(duì)檢測(cè)區(qū)測(cè)算16個(gè)回彈值結(jié)果，然后分別去掉3個(gè)最大和最小值，最后根據(jù)剩下的10個(gè)檢測(cè)值計(jì)算回彈代表值，采用公式如下：

(2)

式中：R——測(cè)區(qū)回彈代表值；

Ri——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)有效回彈值。

在對(duì)混凝土澆筑方向的側(cè)面對(duì)測(cè)時(shí)，應(yīng)選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)獲取相應(yīng)各點(diǎn)的聲速值，然后根據(jù)式(3)推算得到該測(cè)區(qū)的聲速代表值。

(3)

式中：V——測(cè)區(qū)混凝土中聲速代表值，km/s;

li——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)超聲測(cè)距，mm；

ti——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)讀數(shù)，μs;

t0——聲時(shí)初讀數(shù)，μs。

2)回彈值與超聲聲速值的修正。

在隧道襯砌工程中存在很多復(fù)雜的應(yīng)力作用，因此在很多情況下，根據(jù)式(2)，式(3)所得出的結(jié)果是不適用的，所以，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)在以上的處理結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)所得到的回彈值和超聲波速度值展開進(jìn)一步的修正。

如果采用回彈儀進(jìn)行襯砌混凝土檢測(cè)時(shí)不在水平狀態(tài)，或者不是檢測(cè)混凝土澆筑的側(cè)面，在這種情況下，需對(duì)所得到的回彈結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)施角度修正，并進(jìn)一步做頂面或者底面修正，從而得到最終的回彈代表值Rai。

如果檢測(cè)區(qū)是對(duì)混凝土澆筑的頂面和底面間對(duì)測(cè)或斜測(cè)，需修正測(cè)區(qū)的超聲聲速值，修正后的數(shù)據(jù)則為聲速代表值Vai。

最后，將修正后的回彈值與超聲聲速值代入測(cè)強(qiáng)公式，計(jì)算得到襯砌混凝土的強(qiáng)度。

3 工程應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 工程概況

為進(jìn)一步分析實(shí)際工程中超聲回彈綜合法的應(yīng)用效果，選擇我國四川某高速公路隧道工程，該隧道為分離式隧道，東西走向，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，隧道里程為K86+903～K88+340，隧道總長(zhǎng)1 437 m，最大埋深115 m。

隧道洞身結(jié)構(gòu)采用新奧法施工原理設(shè)計(jì)，即以系統(tǒng)錨桿、噴鹼、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初期支護(hù)與二次模筑鹼相結(jié)合的復(fù)合襯砌型式。當(dāng)二次襯砌施工結(jié)束后，借助超聲回彈綜合法對(duì)襯砌強(qiáng)度實(shí)施檢測(cè)，以檢控隧道的襯砌強(qiáng)度。

3.2 隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果分析

在隧道混凝土達(dá)到齡期后，采用超聲回彈綜合法選取隧道右洞K87+025～K87+085段進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，以評(píng)價(jià)隧道的襯砌強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1得到的隧道襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度值，對(duì)測(cè)區(qū)不小于10個(gè)的混凝土抗壓強(qiáng)度按平均值與標(biāo)準(zhǔn)差處理。如果混凝土強(qiáng)度等級(jí)大于C20，且標(biāo)準(zhǔn)差小于5.5 MPa，則襯砌構(gòu)件測(cè)試段作為一批混凝土強(qiáng)度；如果測(cè)區(qū)小于10個(gè)或標(biāo)準(zhǔn)差大于5.5 MPa，則根據(jù)最小值原則，按單個(gè)構(gòu)件推算混凝土強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度的推定結(jié)果見表2。

表1 二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表2 二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)成果表

根據(jù)以上內(nèi)容，在采用超聲回彈綜合法檢測(cè)隧道右洞混凝土襯砌強(qiáng)度時(shí)，共有14個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)試值為26.27 MPa～38.35 MPa，混凝土強(qiáng)度推定值為25.86 MPa，高于設(shè)計(jì)要求中的C25混凝土強(qiáng)度，隧道襯砌強(qiáng)度符合要求。

4 結(jié)語

本文首先分析了隧道襯砌強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，對(duì)目前應(yīng)用最為先進(jìn)的技術(shù)——超聲回彈綜合法進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，并在此基礎(chǔ)上，依托四川某隧道工程實(shí)例，分析了超聲回彈綜合法的應(yīng)用。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于非金屬超聲儀在檢測(cè)泵送混凝土強(qiáng)度時(shí)規(guī)避誤差的效果不是很好，有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)一些較大誤差，如果存在較大誤差，則需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)回彈結(jié)果實(shí)施修正，有條件的情況下，最好建立有針對(duì)性的測(cè)強(qiáng)曲線，有利于進(jìn)一步提升修正后回彈值的準(zhǔn)確性。

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On detection technique for lining strength in tunnels

Peng Xiaoqing

(ShanxiCommunicationsInstitute,Taiyuan030006,China)

The paper introduces the development of the detection technique for the lining construction, analyzes the principle for adopting the ultrasonic-rebound combined method in the detection of the tunnel lining strength, and illustrates its application in the projects, so as to provide some reference for the detection and control in the tunnel lining construction.

tunnel, lining construction, strength detection, ultrasonic-rebound combined method

1009-6825(2016)24-0167-02

2016-06-11

彭小慶(1984- )，男，工程師

U451.4

A