運(yùn)營(yíng)隧道襯砌開裂無(wú)損檢測(cè)綜合技術(shù)應(yīng)用分析

秦德崴

（中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

隧道二次襯砌質(zhì)量是保證交通運(yùn)營(yíng)安全的重要組成部分。隧道對(duì)天然環(huán)境的依賴性較大，易出現(xiàn)裂縫、漏水、侵蝕等問題，且產(chǎn)生原因復(fù)雜，裂縫是其中主要病害之一，也是較為棘手的問題之一。裂縫不僅影響美觀，嚴(yán)重時(shí)可引起二襯滲（漏）水、鋼筋銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致二襯局部掉落，造成結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定埋下安全隱患，縮短了隧道的維護(hù)周期和使用壽命。近幾年來(lái)，工業(yè)內(nèi)窺鏡技術(shù)快速發(fā)展，其應(yīng)用涵蓋了工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。根據(jù)檢測(cè)的環(huán)境、位置、方向、通路等工況，通過選擇合適的管徑、長(zhǎng)度、景深的內(nèi)窺鏡，以最直觀的目視查明內(nèi)部原因，解決故障缺陷。

某隧道長(zhǎng)1150m，在左右兩線隧道均出現(xiàn)了不同程度的襯砌裂縫。文章針對(duì)右線裂縫里程隧道里程范圍YK19+550—YK20+460，采用多種方法檢測(cè)、分析開裂原因。

1 裂縫的分類及分級(jí)

對(duì)裂縫的分類有多種方法，常見按照形狀走向分為：環(huán)向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫及不規(guī)則裂縫。按照原因分為：溫度裂縫、干縮裂縫、接茬縫及荷載變形裂縫。根據(jù)受力情況分為：結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫兩種。裂縫開展寬度在裂縫口處順垂直方向量取，裂縫根據(jù)開展寬度大小分為四級(jí)：

毛裂縫（又稱為發(fā)絲）W≤0.3mm，小裂縫0.3mm＜W≤2.0mm，中裂縫2.0mm＜W≤20mm，大裂縫W＞20mm。

2 隧道二襯開裂情況及檢測(cè)分析方法

在運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間發(fā)現(xiàn)隧道右洞大范圍出現(xiàn)開裂，多以環(huán)向裂縫、網(wǎng)狀裂縫為主，呈不規(guī)則變化，拱頂處裂縫沿環(huán)向貫穿最大縫寬2.0mm，左右邊墻有不同程度縱向小裂縫且無(wú)明顯規(guī)律，部分隧道施工縫處出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

2.1 裂縫深度檢測(cè)方法

超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷，一般是采用超聲穿透探測(cè)聲速、接收信號(hào)的首波幅度和波形這三個(gè)聲學(xué)參量，以綜合分析評(píng)定混凝土材料的內(nèi)在質(zhì)量。在檢測(cè)裂縫深度時(shí)，超聲波在混凝土中傳播，遇到裂縫會(huì)產(chǎn)生反射、折射、繞射等物理現(xiàn)象，使超聲波聲時(shí)延長(zhǎng)，根據(jù)聲時(shí)的變化推測(cè)裂縫的深度原理圖見圖1。

圖1 裂縫檢測(cè)原理示意圖

2.2 裂縫寬度檢測(cè)方法

塞尺：操作簡(jiǎn)單，只能粗讀，精度低。

裂縫寬度對(duì)比卡：操作簡(jiǎn)單，只能粗讀，精度低。

讀數(shù)顯微鏡：操作簡(jiǎn)單，有一定的放大倍數(shù)，精度高（0.01mm），存在人為讀數(shù)誤差。

數(shù)顯式裂縫寬度測(cè)試儀：操作更簡(jiǎn)單，精度更高，誤差更小。

2.3 工業(yè)內(nèi)窺鏡常用檢測(cè)范圍

電梯檢測(cè)：在對(duì)電梯進(jìn)行維保的過程中，能夠通過內(nèi)窺鏡檢測(cè)電梯的電機(jī)、電器柜等電氣設(shè)備，軸承、傳送帶組件的故障，以及曳引槽輪、鋼絲繩磨損程度，及時(shí)根據(jù)檢測(cè)情況作出維護(hù)方案。

橋梁檢測(cè)：工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)于橋梁吊桿內(nèi)部鋼絲的腐蝕、斷裂、斷絲等情況的檢測(cè)；對(duì)于橋梁照明燈具內(nèi)部線路、設(shè)施的缺陷檢測(cè)等。

管道檢測(cè)：內(nèi)窺鏡可用于檢測(cè)市政或者工業(yè)給水以及排水、通風(fēng)等各種管道內(nèi)部堵塞、銹蝕、腐蝕、存在異物等異常情況，對(duì)消防栓內(nèi)部的銹蝕情況進(jìn)行定期的檢測(cè)和維護(hù)，避免消防設(shè)施無(wú)法使用[1]。

襯砌質(zhì)量檢測(cè)：鉆孔結(jié)合內(nèi)窺鏡可以直觀判斷襯砌內(nèi)部缺陷，驗(yàn)證無(wú)損檢測(cè)手段的準(zhǔn)確性，內(nèi)窺鏡檢測(cè)見圖2。

圖2 工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測(cè)

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用分析

分析此次隧道襯砌開裂原因采用了超聲波法、地質(zhì)雷達(dá)法、沖擊回波法、回彈法、碳化深度、鉆孔結(jié)合內(nèi)窺鏡檢測(cè)法、取芯法等。

3.1 裂縫檢測(cè)結(jié)果匯總

裂縫檢測(cè)結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 裂縫檢測(cè)結(jié)果匯總

3.2 雷達(dá)分析方法

根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，地質(zhì)雷達(dá)向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，電磁波遇到介質(zhì)中電性差異面時(shí)將產(chǎn)生回波反射，反射的回波被天線接收機(jī)接收并反饋至主機(jī)，主機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)軟件處理后生成能量灰度圖，通過分析能量灰度圖中特征反射圖像，對(duì)被測(cè)對(duì)象做出定性判斷。

檢測(cè)左邊墻素混凝土開裂段YK19+845—YK19+870、YK19+930—YK19+950、YK19+975—YK19+990、YK20+010—YK20+020 未發(fā)現(xiàn)襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實(shí)。雷達(dá)檢測(cè)圖見圖3。

圖3 左邊墻地質(zhì)雷達(dá)波形圖

檢測(cè)右邊墻素混凝土開裂段YK19+715—YK19+709 未發(fā)現(xiàn)襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實(shí)見圖4（a）。YK19+911—YK19+905 未發(fā)現(xiàn)襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實(shí)見圖4（b）。YK19+924—YK20+918 設(shè)計(jì)厚度35cm 實(shí)測(cè)：23～36cm，最大欠厚12cm 且大于設(shè)計(jì)值的1/2，并且發(fā)現(xiàn)襯砌背后脫空見圖4（c）。鋼筋混凝土開裂段YK20+288—YK20+278 未發(fā)現(xiàn)襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實(shí)見圖4（d）。

圖4 右邊墻地質(zhì)雷達(dá)波形圖

采用地質(zhì)雷達(dá)900MHz 屏蔽天線在裂縫處檢測(cè)分析裂縫內(nèi)部混凝土密實(shí)度、厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求及鋼筋布置情況。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)除YK19+924—YK20+918段最大欠厚12cm 且大于設(shè)計(jì)值的1/2，并且背后發(fā)現(xiàn)脫空，表面無(wú)裂縫。除上述外檢測(cè)其余測(cè)線厚度基本滿足設(shè)計(jì)要求，二襯混凝土基本符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)分析襯砌的開裂與施工質(zhì)量不具有直接關(guān)系。

3.3 鉆孔結(jié)合內(nèi)窺鏡分析方法

針對(duì)鋼筋混凝土開裂段YK20+288—YK20+278，考慮到鋼筋對(duì)電磁波的干擾，采用沖擊回波聲頻（IAE）法、鉆孔結(jié)合工業(yè)內(nèi)窺鏡的方法檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)距板縫30cm 處沖擊回波信號(hào)雜亂（圖5a），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查此處混凝土表面存在蜂窩麻面，因此對(duì)此處進(jìn)行局部微破損驗(yàn)證（圖5b）。

圖5 右邊墻地質(zhì)雷達(dá)波形圖

沖擊回波法因混凝土表面不平整容易引起應(yīng)力波能量減弱畸變，導(dǎo)致波形雜亂，對(duì)反射信號(hào)產(chǎn)生一定影響，易產(chǎn)生誤判，同時(shí)，通過鉆孔內(nèi)窺鏡驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該處混凝土膠結(jié)密實(shí)無(wú)明顯缺陷異常。沖擊回波法與鉆孔內(nèi)窺鏡法的結(jié)合，可直觀地對(duì)疑似問題進(jìn)行重點(diǎn)排查，大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度，初步驗(yàn)證襯砌質(zhì)量不是導(dǎo)致混凝土開裂的主要原因。

3.4 混凝土強(qiáng)度分析方法

對(duì)右邊墻YK20+270 地質(zhì)雷達(dá)掃描YK20+269—YK20+271 段，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)鋼筋為雙層見圖6（a）。第一層測(cè)深24～26cm、第二層測(cè)深40～41cm；取芯驗(yàn)證為雙層鋼筋，第一層測(cè)深25cm、第二層測(cè)深41cm，與設(shè)計(jì)相符。鋼筋保護(hù)層檢測(cè)值為24～26cm 見圖6（b）、圖6（c）。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)取芯驗(yàn)證對(duì)照?qǐng)D

抗壓強(qiáng)度：在YK20+270 處鉆取三個(gè)芯樣，設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C35，強(qiáng)度平均值為44.7MPa，芯樣強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

3.5 碳化深度檢測(cè)分析方法

混凝土的碳化是混凝土受到的一種化學(xué)腐蝕。指混凝土中的Ca(OH)2與空氣中CO2或水中溶的CO2或其他酸性物質(zhì)反應(yīng)變成CaCO3而失去堿性的過程，又稱作中性化。碳化深度檢測(cè)結(jié)果顯示碳化深度普遍很高均大于10mm 易導(dǎo)致形成混凝土收縮裂紋。

4 結(jié)語(yǔ)

以上地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與取芯驗(yàn)證能完全對(duì)應(yīng)，在鋼筋混凝土段利用鉆孔結(jié)合工業(yè)內(nèi)窺鏡局部微破損的方法對(duì)檢測(cè)襯砌有良好的實(shí)用性，通過對(duì)裂縫深度、寬度的檢測(cè)及采用地質(zhì)雷達(dá)、取芯與碳化深度對(duì)二襯混凝土質(zhì)量綜合檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)二襯混凝土基本滿足設(shè)計(jì)要求，隧道裂縫的產(chǎn)生，非二襯施工質(zhì)量不合格導(dǎo)致受力不均而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性裂縫。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)大部分以網(wǎng)狀裂縫為主，分析襯砌開裂原因?yàn)榛炷翝仓箴B(yǎng)護(hù)不到位導(dǎo)致的收縮裂縫，混凝土澆筑后應(yīng)加強(qiáng)后期灑水養(yǎng)護(hù)。