铁路隧道无损检测技术与应用.docx

铁路隧道无损检测技术与应用刘玉乾 , 刘国伍(北京中铁瑞威铁道工程技术有限公司 北京 100055)摘 要 :指出铁路隧道无损检测的必要性 ,介绍当前无损检测的主要内容和常用检测方法 、原理 ,以及外业检测事项 、报告成果形式 ,最后给出隧道衬砌检测 、隧底检测的具体实例 。关键词 :铁路隧道 ; 工程质量 ; 无损检测 ; 应用中图分类号 :u457文献标识码 :文章编号 :10042954 (2004) 11 0069 04铁路隧道是铁路的重要基础设施 ,其状态的好坏直接影响行车安全和旅客的舒适度 。在铁路跨越式发 展的今天 ,采用科技含量较高的无损检测技术对隧道 状态进行检测并进行状态评估已提到议事日程 。理作出技术改造规划 。(3) 新建隧道工程质量评定的需要铁道部规定 ,新建铁路隧道竣工验交按铁路隧道 工程质量检验评定标准( tb10417 98) 办理 。该标准规定检查验收按每 1020 m 一个断面 ,采用观测 、尺量 、钻孔抽查 、查看资料等方法进行 。这样的检验方法 主要是验收外观质量 ,对其内在质量缺乏全面的了解 , 使新建隧道可能留下这样或那样的隐蔽缺陷 。在铁路隧 道 衬 砌 质 量 无 损 检 测 规 程( tb10223 2004 、z341 2004) 和铁运 (2004) 42 号铁路运营隧道衬砌安 全等级评定暂行规定颁布后 ,无损检测将作为检查隧 道衬砌隐蔽缺陷的一种有效的重要的手段得到普遍采用 。工程质量无损检测技术 ,是近年来形成的一门新 技术 ,它是用仪器测定工程结构的各种物理数据 ,如电 性 、磁性 、电磁性 、弹性 、放射性等 。通过这些物性参数 的变化分析工程结构的状态 。无损检测具有不损坏工程结构 、成果资料定量可 靠 、数据图像直观 、设备轻便 、检测速度快 、施工安全和 成本低等优点 ,已成为当今工程质量检测的最佳选择 。1隧道无损检测的必要性(1) 铁路运营隧道病害整治的需要近年来 ,铁路运营隧道多次发生衬砌垮塌 、掉块及 道床裂损 、下沉等病害事故 。截至 2003 年底 ,全路共 有运营隧道 6 087 座总长度 3 247166 km 。其中 ,因病害失格隧道有 3 739 座 , 占统计隧道的 6114 % 。有的 隧道病害相当严重 ,危及运输安全 。多年来隧道病害失格率居高不下 ,并有逐年增长 趋势 。其主要原因是 : 建国前修建的隧道有 565 座/153 946 m ,因修建时期不同 ,标准不同 ,导致大量隧道结构限界不能满足当前的运营需要 ; 维修及病害整 治投资不到位 ,欠账多 ; 新建隧道设计标准偏低或隧 道施工未严格按规范要求进行 ,遗留问题多 ; 增建复 线施工 ,未对临线隧道结构状态可能产生的影响采取 相应措施或措施不当 ,诱发既有线隧道病害数量上升 ;隧道病害检查和检测手段落后 ,基本沿用眼看尺量 的方法 ,隧道隐蔽病害难于发现 , 病害整治治表不治 本 ,导致一些隧道病害反复投资整治 ,收效不大 。(2) 铁路跨越式发展的需要 为了实现铁路跨越式发展大幅度提高客货运输 ,必须对不适应跨越式发展要求的既有铁路设施进行技 术改造 。为了使既有线隧道技术改造达到对症 、根治 、 节省投资的效果 ,应有计划地对其状态进行诊断 ,全面 掌握结构病害及缺陷 ,并对结构安全进行科学评定 ,合2检测主要内容包括隧道衬砌检测 、隧底检测 、施工地质超前预报 、表面病害检测和限界检测等 5 部分 。(1) 衬砌检测检测部位有拱顶 、左右拱腰 、左右 拱脚和左右边墙 ; 检测的主要内容有 : 衬砌混凝土厚度 ,钢拱架 、钢格栅分布形态 ,衬砌背后裂隙 、空洞及回填密实程度 ,衬砌背后地下水富集状况 ,衬砌混凝土强 度等级等 。(2) 隧底检测检测的主要内容有 :底板厚度及裂 隙 、裂损 、压溃与病害位置 ,仰拱厚度及回填层密实程度 ,仰拱 、底板混凝土强度等级 ,道碴厚度 、道碴陷槽及69收稿日期 :2004 06 23第一作者简介 :刘玉乾(1936 ) ,男 ,高级工程师。铁道标准设计 railway standard des ign 2004 (11)隧道/ 地下工程充泥充水情况 ,基床以下软弱夹层病害等 。(3) 地质超前预报 主要是在工作面或已施工隧 道的两侧壁布置 ,近距离预报范围在 30 m 之内 ,远距 离预报范围在百米之外 。预报的主要内容有 : 岩溶洞 穴 、管道 、暗河等不良地质 ,断层破碎带位置 、规模及富 水状况 ,煤层 、瓦斯 、天然气储存状态 ,地下水储存条件 及可能突泥涌水的位置 ,地层岩性 、围岩力学指标 、围 岩级别等 。(4) 表面病害检测 当使用数码摄像方法检测时 主要检测拱顶和拱腰 ,当使用激光扫描系统时则可全 断面检测 ;检测的主要内容有 :衬砌表面裂纹 、裂隙 ,形 变 ,位移错台 ,腐蚀 ,渗漏水 、滴水及冰挂情况等 。示 。(2) 瞬变电磁法 ( tem)瞬变电磁法是用不接地的回线线圈向地下发送一 次脉冲 ,在一次脉冲的发射间歇期间 ,观测断电后由一次脉冲激励出的二次涡流场的变化规律 。涡流场的衰减过程 ,早期以高频为主 ,反映的是浅层信息 ; 晚期以 低频为主 ,反映的是深层地下信息 。二次涡流场随时 间的衰减快慢和强弱与被探测的介质 ( 道碴 、混凝土 、 岩石) 及介质状态 ( 含水与干燥 、完整与破裂) 有关 , tem 法衰减曲线的变化过程反映了检测点由高频到 低频 、由浅层到深层的地质信息变化过程 。检测的参 数是各层的视电阻率 ,对实测的衰减曲线进行反演拟 合 ,绘制地下电性分层及分层的电阻率柱状图 ,进而以 反演拟合曲线为基础 ,绘制成曲线簇断面图 、等值线断 面图及电性分级断面图 。瞬变电磁检测成果如图 3 、 图 4 所示 。(5) 限界与净空检测是否满足限界要求 。主要检测衬砌及附属设施3主要检测方法及原理目前 ,无损检测的方法很多 ,主要有地质雷达法瞬变电磁法 、多频电磁法等 10 多种方法 ,本文仅就主要 的介绍如下 。(1) 地质雷达法 ( gpr)地质雷达技术是利用高频电磁 波的反射来探测目标体 。它是通过天线向地下发射高频短脉冲 ( 宽度只有几s) 电磁波 ,仪器接收经过地下 由两种不同介质 、不同介电常数的分界面反射后的反射波 。分界面反射波的旅行时间可定量计算 ,待测目标 体的深度可按以下公式计算013 th = 1 vt或h =2r2式中h 分界面深度 ( 如底板深度 、基岩深度) ,m ;v 电磁波在介质中的传播 速度 ,m/ s ;r 介质的相对介电常数 ;t 电磁波从被检测体表面 至分界面的双程旅行时 间 ,ns 。从式中看出 ,当电磁波速度已知 时 ,可计算出介质分界面的深度 。当前检测常用的地质雷达仪器有美国 sir 10 型 、sir 10 h 型 、sir2000 型 , 另外还有瑞典和国产雷达 。雷达检测成果如图 1 、图 2 所70铁道标准设计 railway standard des ign2004 (11) 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 隧道/ 地下工程与重点检测之分 、有事中检测与验收检测之分 。特殊岩土 、不良地质 、工程重 要环节应作为检测的重点 。隧道衬砌检测 用地质雷达检测衬砌厚度时 ,一般在拱顶 、左右拱腰 、左右拱脚 、左右边墙 布置 57 条测线进行连续测量 ,既有线病害严重还应加密测线 。隧底检测 单线隧道测线布置在轨道中线或轨枕两端 ,双线隧道加一条隧道中心线测线 。gem 法连续测量 ; tem 法点测 ,距 215510 m ; 声波法点测 ,测点距根据异常 情况而定 ,一般 1020 m 一个测点 。地质超前预报 地质雷达法的测线要布置在工作面上 ,因工作面的长度有限 ,测线的布置要因地而异 ;远红外法的测线 可布置在工作面后方的侧壁或工作面上 。(2) 提交的成果提交的成果应论据充分可靠 、结果清晰明确 。所 谓论据充分可靠是指野外采集的数据要准确可靠 ,必 须有规程规定的检测点数 ,分析解释的图件 (如单点反 演拟合图 、曲线簇 、等值线图 、分级图等) 齐全 ,要有分 析解释的物理前提 ,提出的异常段要论据充分并结合工程实际可能 ;所谓成果清晰明确是指结论应确定 、不 要模棱两可 ,衬砌检测等级评定按最 新铁路运营隧道衬砌安全等级评定 暂行规定标准分级 ,即分为 d 、c 、b 、 a1 、aa 五级 , 同时还应给出各类病害所占的比例数 。图 4 南岭隧道 tem 法电导率等值线分级(3) 多频电磁法 ( gem)多频电磁法 ( gem) 是近 10 年来才发展起来的一 种专门探测浅层 ( 50 m 以内) 目标物的方法 。它通过 发射线圈向地下发射多种频率的电磁波 。电磁波进入介质中要产生传导 、极化 、磁化现象 ,而这些现象反过 来又改变原电磁场的状态 ,这就是电磁波和介质的相 互作用 。把这种作用的结果反映到地面观测点就是电 磁法解决地质问题的物理前提 。电磁法的多频概念缘于“趋肤深度”原理 ,亦勘探深度与频率成反比 ,低频信号在介质中传播很远 ,可研 究结构深部构造 ,高频信号只能传播短距离 ,探测浅部 构造 。扫描一个频率窗口相当于一个探测深度 ,发射 多个频率作多个深度探测 。多频电磁法作不同频率即不同深度的探测称为“频率测深”,提供结构的垂向断面图 ;也可作相同频率即相 同深度的探测 ,称为“频率平剖面”,提供结构的水平剖 面图。多频电磁法检测成果如图 5 、图 6 所示。5工程实例(1) 耳足一号隧道衬砌检测耳足一号隧道位于成昆线 ,全长270126 m 。隧道穿过页岩 、砂质泥岩 地层 。2002 年对该隧道进行了衬砌 质量检测 ,探明了隧道的衬砌厚度 、衬砌背后回填的密实状况 、衬砌和围岩的裂隙等方面 的内容 。检测仪器使用美国 gssi 公司的 sir 2000 型地质当前电磁法检测常用的仪器有加拿大 v5 、v6 大地电磁仪和澳大利亚西留太姆电磁仪 、法国麦洛斯电 磁仪 、美国 gem 2 电磁仪等 。雷达 。在隧道内衬砌表面沿隧道延伸方向布置 7 条测线 ,分别为左右侧边墙 、拱脚 、拱腰和拱顶 ,测线总长 1890 m 。检测结果表明 ,隧道衬砌厚度总体在 015 m 以上 ,部分地段达到 0175 m , 衬砌背后充填状况不好 , 松散714现场检测方法和提交的成果(1) 检测方法检测测线布置 : 检测测线与测点的布置以不漏掉 被检测建筑结构病害异常体为原则 ,检测有普遍检测铁道标准设计 railway standard des ign 2004 (11) 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 隧道/ 地下工程欠密实区较多 ,衬砌中裂缝总体不连续 ,部分地段裂缝宽度较大 ;围岩较破碎 ,裂隙发育 ,特别是隧道中部地 段部分围岩呈裂隙密集发育的松散堆积状 ; 围岩中存在连续长大裂缝 ,围岩较深部位 (1115 m) 存在连续 的拉张裂缝 ,松动地段较长 。图 7图 11 是隧道衬砌检测的雷达图像 。图 7 、 图 8 分别反映了衬砌背后填充不密实和围岩中有裂 隙 ;图 9 中有规律地分布着一系列类似双曲线的强反射区域为钢拱 ,顶部有明显的斜向强反射区域 ,为隧道 施工过程中形成的斜向裂缝 ;图 10 中自上而下分布有 一条明显的带状反射区域为施工过程中留下的垂向裂 缝 ,上部连续分布的蓝色带状强反射区的边缘由许多 小的类似双曲线的弧形连接而成 ,为钢筋网 ; 图 11 是检测的部分里程综合成果图 。道投入运营 15 年来 ,隧底病害不断 ,主要表现为底板有裂隙和裂损 ;底板以下吊空 、虚碴并充泥充水 ; 底板 与基岩顶面之间形成软弱夹层 ;仰拱的填充物不密实 。2004 年 2 月 ,采用瞬变电磁法 、多频电磁法 、声波 法等无损检测方法 ,对隧道基底进行了检测 。瞬变电 磁法沿隧道上行 、下行轨道的中线各布置测线一条 ,测 点距为 215 m ;多频电磁法沿隧道中心线 、上下行轨道 中线 、上下行外轨枕边共布置 5 条测线 ,采用不接地连续测量 ;声波法在上 、下行轨道轨枕两端 、挡碴墙上布 置发射检波器和接收检波器 ,测点距 5 m 。经检测 ,全隧道上下行近半数里程存在隧底病害 , 其中铺底裂损有 35 段合计长度 1 448 m ,占总检测长 度的 1119 % ; 铺底以下有病害的有 39 段合计长度5 170 m ,占总检测长度的 4217 % 。(3) 华蓥山 2 号隧道隧底检测华蓥山 2 号隧道位于襄渝线 ,全长 1 810 m 。隧道 通过的岩性为泥灰岩 ,间夹砂岩和页岩 ,岩层节理发育 而破碎 , 含裂隙水 。投产运营 30 多年来 , 隧底病害不断 。2004 年 4 月 ,对该隧道隧底进行了无损检测 。要 求查清底板层裂损情况及范围 、底板层以下吊空与虚 碴情况及范围 、底板与基岩之间充泥充水或软弱夹层 情况及范围 , 采用的检测方法有瞬变电磁法 、多频电 磁法 。本次检测 4 段共 795 m ,其结果是 :(1) 底板裂损 、裂隙段长度 666 m ,占总检测长度 的 8318