淺談公路隧道施工質(zhì)量的檢測(cè)方法

桂允成

遼寧省高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽(yáng) 110001

引言

截至2020年底，全國(guó)公路隧道共有19067處，累計(jì)長(zhǎng)度為1896.66萬(wàn)米，與19年相比增加1329處，長(zhǎng)度為173.05萬(wàn)米，其中特長(zhǎng)隧道有1175處，累計(jì)長(zhǎng)度為521.75萬(wàn)米，長(zhǎng)隧道有4784處，累計(jì)長(zhǎng)度為826.31萬(wàn)米。

我國(guó)山嶺重丘區(qū)占國(guó)土面積的70%以上，隨著公路網(wǎng)的建設(shè)與城市地下道路交通的發(fā)展，穿越崇山峻嶺，連接江河兩岸，隧道已成為重要的方式之一[1]，我國(guó)正進(jìn)入公路隧道建設(shè)的黃金時(shí)期，大量公路隧道工程正在建設(shè)或者即將開始建設(shè)。公路隧道施工質(zhì)量控制是目前工程建設(shè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，隧道的施工質(zhì)量越來(lái)越受到人們的重視，而在具體工程施工質(zhì)量檢測(cè)中，檢測(cè)方法的選用以及如何準(zhǔn)確進(jìn)行操作非常關(guān)鍵。隨著公路隧道里程的不斷增加，養(yǎng)護(hù)需求日趨迫切，提高養(yǎng)護(hù)水平，確保暢通，也是十分突出的問(wèn)題。無(wú)論是新建，還是運(yùn)營(yíng)的隧道，為保證工程質(zhì)量，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，都離不開隧道的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)工作。

公路隧道的建造是百年大計(jì)，保證工程質(zhì)量是業(yè)主的基本要求。檢測(cè)技術(shù)作為質(zhì)量管理的重要手段越來(lái)越為人們所重視，公路隧道檢測(cè)技術(shù)涉及面廣，內(nèi)容較多。隧道檢測(cè)的內(nèi)容分類如下：

材料檢測(cè)

防排水材料檢測(cè)：包含注漿材料、防水材料、防水管材。

支護(hù)材料檢測(cè)：錨桿材質(zhì)、噴射混凝土材料、鋼構(gòu)件。

襯砌材料：混凝土材料、鋼筋材料。

施工檢測(cè)

施工質(zhì)量檢測(cè)：開挖質(zhì)量、支護(hù)質(zhì)量、防排水、襯砌質(zhì)量。

施工監(jiān)控量測(cè)：圍巖變形、支護(hù)受力、襯砌受力。

環(huán)境檢測(cè)

施工環(huán)境檢測(cè)：粉塵、有害氣體。

運(yùn)營(yíng)環(huán)境檢測(cè)：通風(fēng)、照明、噪聲。

本文主要介紹各種公路隧道工程施工過(guò)程中，一些較為常見(jiàn)的質(zhì)量檢測(cè)方法，重點(diǎn)評(píng)價(jià)其實(shí)用性。研究過(guò)程中參考了國(guó)家或行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1 常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題和主要病害現(xiàn)象

我國(guó)的地域較大，自然條件跨度大，水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，受到設(shè)計(jì)和施工等技術(shù)條件的限制，已運(yùn)營(yíng)隧道存在不同程度的質(zhì)量問(wèn)題和病害現(xiàn)象，常見(jiàn)的存在幾個(gè)方面。

1.1 隧道滲漏水[2]

公路隧道在施工期間和建成通車后，因破壞了原山體的排水體系，地下水在隧道結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)境通過(guò)一定的通道滲入到隧道內(nèi)部，出現(xiàn)襯砌表面滲水、淌水、滴水，甚至出現(xiàn)股狀噴水、涌水等現(xiàn)象。路面返水、邊墻滲漏水，滴落至路面，造成路面積水或積冰，影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。

1.2 襯砌開裂

隧道襯砌為混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)開裂比較普遍，其形態(tài)主要有縱向裂縫、斜向裂縫、環(huán)向裂縫、網(wǎng)狀裂縫等，有單一類型裂縫出現(xiàn)，也有多種裂縫并存。

1.3 襯砌厚度不足

混凝土襯砌屬于隱蔽工程，在施工過(guò)程中由于多種因素影響，襯砌厚度在拱頂、邊墻或仰拱處出現(xiàn)厚度不足情況。

1.4 襯砌背后空洞及不密實(shí)現(xiàn)象

按照規(guī)范要求，初期支護(hù)要求緊貼圍巖，與圍巖共同工作，初期支護(hù)背后空洞和不密實(shí)都屬很嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，在隧道拱部、邊墻都發(fā)現(xiàn)有空洞現(xiàn)象。二襯襯砌混凝土空洞主要出現(xiàn)在拱部。

1.5 混凝土劣化、強(qiáng)度不足

主要有噴混凝土強(qiáng)度不足，模筑混凝土強(qiáng)度不足，混凝土在腐蝕性環(huán)境作用下產(chǎn)生劣化。

1.6 路面隆起、下沉、開裂

隧道運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，有些隧道出現(xiàn)路面開裂、底鼓、下沉變形現(xiàn)象，通暢伴隨電纜溝蓋板翹起，路緣石、邊溝破壞。

2 目測(cè)法

公路隧道工程中采用的目測(cè)法是指不借用任何儀器只通過(guò)目測(cè)的手段，對(duì)工程的施工過(guò)程，表觀缺陷是否符合相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行檢測(cè)。檢查確定其外觀質(zhì)量是否合格。特別是在隧道施工過(guò)程中，工程外觀質(zhì)量檢查是工程合格評(píng)定的基本要求之一。目前，國(guó)內(nèi)在公路隧道施工過(guò)程的檢測(cè)仍然主要采用目測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。

目測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)具有直觀方便，無(wú)須特殊檢測(cè)儀器特點(diǎn)。缺點(diǎn)是難以定量評(píng)估，且不能檢測(cè)內(nèi)部缺陷。

目測(cè)法在工程檢測(cè)中已經(jīng)應(yīng)用多年，總結(jié)各方經(jīng)驗(yàn)，其基本操作要領(lǐng)可通過(guò)“看”“摸”“敲”“照”四種手段來(lái)進(jìn)行概括。

3 量測(cè)法

量測(cè)法是指利用量測(cè)工具或計(jì)量?jī)x表，通過(guò)實(shí)際量測(cè)結(jié)果與規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求相對(duì)照，從而判斷質(zhì)量是否符合要求。

量測(cè)法具有操作相對(duì)容易，實(shí)用性較強(qiáng)，部分工程僅需采用最基本、最傳統(tǒng)的量測(cè)手段，便能有效地控制工程質(zhì)量。實(shí)際操作過(guò)程中，量測(cè)值和設(shè)計(jì)值之間必然存在差異，這就是誤差理論，誤差是多方面因素引起的，主要可以分為儀器誤差和人為誤差。任何量測(cè)都不可避免地存在誤差，如何最大限度地減小誤差，避免誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，是目前誤差研究的主要方向之一。我們?cè)诹繙y(cè)的過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照規(guī)范操作，避免人為誤差，盡量降低儀器誤差，以保證數(shù)據(jù)高精確度高質(zhì)量，確保質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確。

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，隧道工程施工質(zhì)量檢測(cè)中采用的量測(cè)法基本操作要領(lǐng)主也可歸納為“靠”“吊”“量”“套”四種基本手段。

4 沖擊回波法

沖擊回波法是基于應(yīng)力波的一種檢測(cè)結(jié)構(gòu)厚度、缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。在20世紀(jì)80年代，國(guó)外的一些專家就對(duì)該方法進(jìn)行了研究。沖擊回波技術(shù)發(fā)展非常迅速，目前已有IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)、帶表面波的沖擊回波系統(tǒng)、超薄沖擊回波檢測(cè)系統(tǒng)等多種類型，可根據(jù)工程需要進(jìn)行選擇。IES是IE技術(shù)發(fā)展的一大突破，不僅可以快速連續(xù)檢測(cè)，而且增加了檢測(cè)項(xiàng)目如預(yù)應(yīng)力管灌漿情況等，此外還可對(duì)結(jié)構(gòu)厚度、缺陷進(jìn)行三維成像。表面波型沖擊回波系統(tǒng)無(wú)須取芯標(biāo)定，就可準(zhǔn)確檢測(cè)混凝土的厚度。超薄型沖擊回波系統(tǒng)可檢測(cè)最小厚度約5cm的板狀結(jié)構(gòu)，拓寬了沖擊回波方法的厚度檢測(cè)范圍。目前應(yīng)用比較廣泛的沖擊回波法是IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)。

沖擊回波法適合于單面結(jié)構(gòu)，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)，具有非常有利的優(yōu)勢(shì)。如路面、仰拱、隧道襯砌等結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。用鋼球產(chǎn)生的超聲波和音速范圍內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力脈沖檢測(cè)結(jié)構(gòu)時(shí)，用傳感器可記錄觀察到多次反射波，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行頻率分析，能夠獲得有關(guān)襯砌厚度的數(shù)據(jù)及特殊反射體的重疊。目前，沖擊回波法已經(jīng)能成功地應(yīng)用于檢測(cè)60cm厚的理想隧道的厚度。

沖擊回波法在工程檢測(cè)應(yīng)用中也存在缺點(diǎn)，其能達(dá)到的檢測(cè)深度對(duì)要檢測(cè)的材料結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及應(yīng)力脈沖的頻率依賴性較大，而材料結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及應(yīng)力脈沖的頻率會(huì)受到所選球尺寸的影響。另外，沖擊回波法還極大地依賴回波響應(yīng)、頻譜分析等應(yīng)力波理論，解釋較為困難，而且對(duì)混凝土表面的光潔度、耦合劑層厚要求較高。

5 聲波反射法

該方法和地震波探測(cè)原理基本相同，其原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)上，傳播過(guò)程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費(fèi)馬原理，本方法探測(cè)的物理前提是巖體間或不同地質(zhì)體間明顯的聲學(xué)特性差異。

聲波反射法主要采用波形對(duì)比分析和頻譜分析兩種基本方法，在實(shí)際檢測(cè)中通過(guò)頻譜特征及波形來(lái)確定襯砌混凝土的健康狀態(tài)，從而可判定混凝土內(nèi)部缺陷范圍、襯砌體和圍巖結(jié)合情況及襯砌厚度。聲波傳播特性是其檢測(cè)施工質(zhì)量缺陷的物理基礎(chǔ)。當(dāng)聲波垂直入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，一部分能量透過(guò)界面成為透射波，波的傳播方向不變；另一部分能量則被界面反射回來(lái)成為反射波。常見(jiàn)的聲波法檢測(cè)襯砌混凝土質(zhì)量主要有透射波法和反射波法。

透射波法原理與CT掃描方法相似，是根據(jù)超聲脈沖穿過(guò)混凝土內(nèi)部時(shí)，在缺陷區(qū)的聲時(shí)、波形、波幅和頻率等參數(shù)所發(fā)生的變化來(lái)判斷缺陷的，要求被測(cè)結(jié)構(gòu)物有一對(duì)相互平行的測(cè)試面。這種方法的缺點(diǎn)是其無(wú)法確定缺陷的準(zhǔn)確位置，即它只能確定缺陷在平面上的投影位置，對(duì)于處于什么深度無(wú)法判斷。

目前，聲波反射法主要應(yīng)用于檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量、襯砌混凝土內(nèi)部缺陷、襯砌厚度和襯砌混凝土與圍巖結(jié)合情況。

6 超聲一回彈綜合法[3]

“回彈－超聲”綜合法是應(yīng)用回彈儀和超聲波檢測(cè)儀綜合測(cè)定混凝土的強(qiáng)度。這種方法是建立在混凝土回彈值與混凝土波速與混凝土的抗壓強(qiáng)度之間的相互聯(lián)系的基礎(chǔ)之上，即用回彈值和聲波的產(chǎn)波速度綜合反映混凝土的抗壓強(qiáng)度，與單一法相比，精確度高，適用范圍較廣，且對(duì)混凝土無(wú)任何損傷，為無(wú)損檢測(cè)類方法。

回彈法測(cè)混凝土強(qiáng)度是基于強(qiáng)度與混凝土的表面硬度有相關(guān)性，而表面硬度可由回彈值反映。因此，混凝土強(qiáng)度與回彈值之間也有相關(guān)性。超聲一回彈綜合法，是綜合超聲法檢測(cè)和回彈儀測(cè)量，對(duì)隧道襯砌超聲聲速（V）和回彈值（R）進(jìn)行檢測(cè)，然后把強(qiáng)度值與聲速和回彈值進(jìn)行二元回歸，參考《超聲一回彈綜合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》。

回彈值反映襯砌混凝土的表面強(qiáng)度，超聲波聲速則可以反映襯砌的內(nèi)部強(qiáng)度信息，兩者結(jié)合對(duì)襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，既可內(nèi)外結(jié)合，又能相互彌補(bǔ)各自的不足，能夠較全面地反映結(jié)果混凝土的實(shí)際質(zhì)量。

7 地質(zhì)雷達(dá)法

探地雷達(dá)是一種寬帶高頻電磁波信號(hào)探測(cè)方法，它是利用電磁波信號(hào)在物體內(nèi)部傳播時(shí)電磁波的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)的。利用電磁波在介質(zhì)中的反射速度和反射情況，確定目的物的位置及形狀，從而對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行有效判斷。我國(guó)從1992年起，開始利用地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)隧道工程質(zhì)量，主要用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)、仰拱施工質(zhì)量檢測(cè)等方面。地質(zhì)雷達(dá)用于隧道襯砌質(zhì)量和仰拱施工質(zhì)量檢測(cè)，是基于隧道襯砌混凝土與襯砌背后基巖，空洞與密實(shí)的襯砌混凝土及襯砌背后基巖、襯砌混凝土與鋼格柵、鋼拱架，襯砌背后超挖回填空隙之間的介電常數(shù)和電阻率都有一定的差異；同樣，隧底與混凝土鋪底，鋪底、回填層與仰拱層、仰拱層與基巖之間的介電常數(shù)和電阻率也有一定差異。地質(zhì)雷達(dá)法利用這些差異，將地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線密帖在襯砌表面，電磁波通過(guò)天線進(jìn)入混凝土襯砌層或者隧道底，遇到鋼筋、鋼拱架、材質(zhì)差別較大的混凝土、混凝土中的裂隙、混凝土與巖石界面、混凝土與空氣的界面、巖石中的裂隙面等時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生反射，并傳遞到反射天線，此時(shí)，可測(cè)出反射波的入射、反射雙走向，并計(jì)算出反射波走過(guò)的路程長(zhǎng)度，根據(jù)反射信號(hào)的特征判斷襯砌背后空隙、密實(shí)情況、空洞、鋼筋、鋼拱架，隧道底部仰拱、鋪底層以下的填充層等的存在及其健康狀態(tài)，同時(shí)可計(jì)算出其埋深及襯砌的厚度、缺陷的位置等。

由于地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)采用了先進(jìn)的連續(xù)掃描無(wú)損探傷技術(shù)，探測(cè)精度比傳統(tǒng)檢測(cè)方法高，而且是連續(xù)掃描，可獲得隧道探測(cè)的連續(xù)結(jié)果，能全面地對(duì)隧道襯砌的實(shí)際情況進(jìn)行檢測(cè)，是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的無(wú)損檢測(cè)高新技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用到襯砌病害無(wú)損檢測(cè)中。

8 結(jié)束語(yǔ)

工程技術(shù)人員要在施工的過(guò)程中熟練掌握和運(yùn)用好上述列舉的檢測(cè)方法，使隧道的質(zhì)量在“事前”“事中”“事后”中都能得到非常有效地控制。