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隧道工程检测技术 中铁四局试验检测中心章国辉 1概述 隧道工程属重要的混凝土结构工程 随着对隧道工程质量的重视 隧道工程的检测手段不断提高 从隧道各个施工工序进行监控和检测 以前认为是隐蔽工程的隧道现在已经不再是 隐蔽 比如有的工程要求在施作二衬前对喷射混凝土进行雷达检测 对锚杆长度和砂浆密实度进行检测等 确保了工程质量内实外美 隧道工程检测包含很多方面 涉及面很广 包含原材料 混凝土配合比 新拌混凝土性能 硬化后混凝土强度厚度 注浆检测 现场控制检测 及工程监测等 这些检测分别包含在各个工序中 隧道现场检测一览表见表1 1概述 表1隧道现场检测一览表 TB10751 2010 1概述 表1隧道现场检测一览表 续 1概述 表1隧道现场检测一览表 续 1概述 接下来将着重从明洞 洞身开挖 支护 防排水 衬砌等施工过程中包含的重要场检测加以讲解 主要引用的标准 高速铁路隧道工程施工质量验收标准 TB10753 2010 铁路隧道工程施工技术指南 TZ204 2008 铁路隧道防排水施工技术指南 TZ331 2009 铁路工程结构混凝土强度检测规程 TB10426 2004 铁路原位测试规程 TB10018 2003 贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程 JGJ T136 2001 公路隧道工程设计规范 JTGD70 2004 公路工程质量检验评定标准 JTGF80 1 2004 公路隧道施工技术规范 JTGF60 2009 2明洞 2 1明洞开挖明洞基础地质情况和地基承载力检测方法和频率在铁路标准中有明确规定 而公路标准未明确检测方法和频率 标准规定高铁验标 TB10753 2010 公路验标 JTGF80 1 2004均要求明洞基础地质情况和地基承载力应满足设计规范要求 检测频率高铁验标 TB10753 2010 每施工段检测一次 不少于5处 检测方法高铁验标 TB10753 2010 静力触探或作标准贯入检测 2明洞 检测方法简介 静力触探 CPT 基本原理就是用准静力将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中 由于地层中各种土的软硬不同 探头所受的阻力自然也不一样 传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来 再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系 来实现取得土层剖面 提供浅基承载力 选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的设备组成有贯入装置 传动系统及测量系统三部分组成 测量系统包括探头 单桥 双桥 电缆和电阻应变仪等 适用范围粘性土 粉性土 砂性土 地面以下50m内的各种土层 特别是对于地层情况变化较大的复杂场地及不易取得原状土的饱和砂土和高灵敏度的软粘土地层的勘察 更适合采用静力触探进行勘察 2明洞 2明洞 标准贯入检测 SPT 基本原理是用63 5kg的锤 自76cm的高度自由落下 将长度51cm 外径5 1cm 内径3 49cm的对标准贯入器击入土中30cm所需的锤击数 称为标准贯入击数N 是一种动力触探 设备组成主要由贯入器 触探杆和穿心锤三部分组成 适用范围一般适用于一般性粘土 粉土和砂类土 可用来判断砂土密实程度 黏性土塑性状态和地基承载力 评定砂类土粉土的地震液化 确定土层剖面 已被列入国家 工业与民用建筑地基基础设计规范 中 2明洞 2明洞 2 2明洞回填 标准规定TB10753 2010 回填密实度符合设计要求 回填土压实度不低于0 8 JTGF80 1 2004 回填密实度符合设计要求 检测频率TB10753 2010 每一作业循环检查一次 检测指标TB10753 2010 压实度JTGF80 1 2004 控制层厚及碾压遍数 3开挖 洞身开挖前及开挖过程中必须进行地质超前预报 高速铁路隧道工程施工质量验收标准 TB10753 2010 把超前地质预报作为一道工序纳入施工组织设计和施工管理中 超前地质预报采用的方法 预报范围和频次应符合设计要求 超前地质预报的施作里程 位置 搭接长度必须符合设计要求 要求超前地质预发应无缝连接 采用超前地质钻和物探法相结合 2009年我局也下了相应的文件 中铁四技 2009 21号 作了明确规定 强制要求地质预报 3开挖 超前地质钻优点 探测直观 有效 真实 施工时间短 缺点 是探测距离有限 一般25m 40m 探测面小 因为探测的孔不多 往往存在一孔之见 3开挖 物探法物探法常用的主要有地质雷达法 红外探测法及TSP法 TRT法等 地质雷达法测的探测距离比较近 红外探测法主要探测水 TSP和TRT是一种比较常用先进的超前地质预报法 它可以探测断层分部 围岩变化 溶洞情况等 一般情况 在隧道进洞前50米内采用地质雷达法 50米后采用TSP法或TRT法进行超前地质预报 TSP原理示意图 TSP超前地质预报仪 3开挖 TSP和TRT法属于多波多分量高分辨率地震反射波法 地震波在设计的震源点 通常在隧道的左或右边墙 大约24个炮点 用小量炸药激发产生 当地震波遇到岩石波阻抗差异界面 如断层 破碎带和岩性变化等 时 一部分地震信号反射回来 一部分信号透射进入前方介质 反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收 图1 数据通过TSPwin软件处理 便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质 软弱带 破碎带 断层 含水等 和位置及规模 3开挖 根据以下原则进行 振幅分析 反射波振幅越高 反射系数和波阻抗的差别越大 说明存在断面的可能性较大 相位分析 正反射振幅表明正的反射系数 也就是刚性岩层 负反射振幅指向软弱岩层 能量分析 若S波反射比P波强 则表明岩层可能饱含水 波速分析 Vp Vs较大的增加或泊松比 突然增大 常常因流体的存在而引起 若Vp下降 则表明裂隙密度或孔隙度增加 4初期支护检测 初支是隧道工程中重要的施工环节 主要的现场检测有喷射混凝土 早期强度 厚度等 及锚杆的检测 4 1喷射混凝土早期强度 标准规定TB10753 2010 早期强度应符合设计要求 24h强度不小于10MPa 指南里还规定喷射混凝土3h强度应达到1 5MPa JTGF80 1 2004 早期强度未作明确要求 需根据设计文件 检测频率TB10753 2010 每级连续围岩进行一次工艺性试验 检测方法TB10753 2010 贯入法 拔出法或无底试模 4初期支护检测 检测方法简介所谓工艺性试验是为考查工艺方法 工艺参数的可行性或材料的可加工性等而进行的试验 高铁验标要求每级围岩进行一次工艺性试验 贯入法 射钉法 根据射钉贯入砂浆的深度和砂浆抗压强度间的相关关系 采用压缩工作弹簧加荷 把一测钉贯入砂浆中 由测钉的贯入深度通过现场建立的测强曲线来换算抗压强度的检测方法 设备由发射枪 子弹 钢钉和测量卡尺组成 贯入法优点快捷 时效性比较强 可操作性强且对喷射混凝土无损伤 缺点是检测强度的准确性受回归方程的精度 喷射混凝土的骨料及所选点的位置等因素的影响较大 引用标准 贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程 JGJ T136 2001 4初期支护检测 拔出法 分为预埋拔出法和后装拔出法 通过测定拔出力的大小来确定混凝土强度 目前国内以后装拔出法为主 是在硬化混凝土上钻孔 磨槽 安装锚固件后用拔出仪做拔出试验 具有测试结果可靠 适用范围广 操作简单 成本低等特点 该技术被中国标准化协会批准为协会标准 后装拔出家常呢混凝土强度技术规程 CECS69 2001 无底试模法 使用无底试模成型 砂浆容易失水 所测得的强度更接近工程实际值 无底试模的边长为150cm 成型起来比较方便 抗压试验加载方向应与试块喷射成型方向垂直 抗压强度换算系数应通过试验确定 4初期支护检测 4 2喷射混凝土强度 标准规定TB10753 2010 喷射混凝土强度必须符合设计要求 JTGF80 1 2004 喷射混凝土强度在合格标准内 检测频率TB10753 2010每一作业循环检验一次 每个循环至少在拱部和边墙各留置一组检验时间 JTGF80 1 2004双车道隧道每10延米 至少在拱脚和边墙各取1组 3个 试件 其它工程 每喷射50方 100方混合料的独立工程 不少于1组 4初期支护检测 检测方法采用喷大板切割法 必要时采用凿方切割法或钻孔取芯法 检测方法简介TB10753 2010附录K对试件的制作方法进行规定如下 喷大板切割法应在施工同时 将混凝土喷射在45 35 12cm 可切割6块 或45 20 12cm 可切割3块 的模型内 当达到一定强度后加工成10 10 10cm的立方体试件 在标准条件下养护至28d进行试验 精确至0 1MPa 4初期支护检测 当采用喷大板切割法对强度有怀疑时 可用凿方切割法 凿方切割法应在具有一定强度的支护上 用凿岩机打密排钻孔 取出长35cm 宽15cm的混凝土块 加工成10 10 10cm立方体试件 在标准条件下养护至28d进行试验 精确至0 1MPa 当采用喷大板切割法对强度有怀疑时 也可采用钻孔取芯法 钻孔取芯法应在具有28d强度的支护上 用钻孔取芯机钻取并加工成长10cm 直径10cm的圆柱体进行试验 精确至0 1MPa 4初期支护检测 4 3喷射混凝土厚度 标准规定TB10753 2010喷射混凝土厚度的检查点数90 及以上应大于设计厚度 JTGF80 1 2004a平均厚度大于设计厚度 b检查点数的60 及以上应大于设计厚度 c最小厚度不得小于设计厚度的1 2 且不得小于5cm 4初期支护检测 检测频率TB10753 2010 全断面开挖时 施工单位每一作业循环检查一次 分部开挖时 施工单位每3 5m检查一次 每个断面应从拱顶起 每间隔2m布设一个检查点 JTGF80 1 2004 每10m检查一个断面 每个断面从拱顶中线起每3米检查1点 检测方法TB10753 2010 埋钉法 凿孔法或无损检测法 JTGF80 1 2004 凿孔法或雷达检测法 4初期支护检测 检测方法简介 埋钉法 该方法比较好理解 既根据喷射混凝土设计厚度 先在围岩上埋设和设计厚度值一样长度的钢筋 然后开始施作 直到喷射混凝土将所埋的钉覆盖 凿孔法 除了埋钉法外 可在喷射混凝土8h后用钢钎凿孔 若混凝土与围岩的颜色相近不易区分时 可采用酚酞试液涂抹孔壁上 呈现红色的未混凝土厚度 无损检测法 目前主要采用地质雷达法对初支厚度及背后缺陷进行检测 地质雷达原理如下 SIR 3000型雷达检测仪 4初期支护检测 地质雷达发射天线在待测物表面向其内部发射频率为数百兆赫兹的高频电磁波 当电磁波遇到不同界面时会发生反射及透射 反射波返回衬砌表面 又被接收天线所接收 所用的天线为收发合一的屏蔽天线 因为喷混中的混凝土 钢筋 空气 水和围岩 其物性差异比较大 电磁波的反射系数取决于界面两边媒质的相对介电常数的差异 差异越大 反射系数也越大 所以可得出能反映不同界面的雷达波形 由此可判断出喷混的厚度及背后缺陷等 可快速的查出缺陷的位置 以便可有针对性的采取补救措施 地质雷达仪已经广泛用于隧道施工过程的监控 有的铁路线已经作为一项工序纳入到管理中 它能快速 准确的检测混凝土厚度 缺陷 及预埋物情况 4初期支护检测 4 4与围岩结合情况 标准规定TB10753 2010 喷射混凝土应与围岩 拱架 钢筋网结合紧密 背后无空洞 无杂物 JTGF80 1 2004 喷射混凝土支护应与围岩紧密粘结 结合牢固 不能有空洞 必要时进行粘结力测试 检测频率TB10753 2010 每10m检查一个断面 每个断面从拱顶中线起每3m检查1个点 JTGF80 1 2004 每板检测 检测方法凿孔法或地质雷达法 一般要求在初支完成之后二衬施作之前进行检测 4初期支护检测 4 5锚杆4 5 1锚杆材质试验包括物理性能和力学性能试验 标准规定TB10753 2010 锚杆类型必须满足设计要求 物理性能 公称直径 公称壁厚 公称质量 指标满足设计要求 并要符合表2的规定 力学性能指标 包括屈服强度或屈服力 抗拉强度或最大力 断后伸长率等力学指标应符合表3的规定 JTGF80 1 2004 材质 类型 质量 规格和性能必须符合设计规范要求 表2锚杆的规格和物理性能指标 表7 4 6 TB10753 2010 表3锚杆的力学性能指标 表7 4 7 TB10753 2010 4初期支护检测 检测频率TB10753 2010物理性能 公称直径及质量 壁厚 指标随机抽样3 检验力学性能 每批次抽样2套 检测方法物理性能 尺量 力学性能 主要通过材料试验机比照钢筋规范进行 4初期支护检测 4 5 2锚杆安装尺寸 标准规定TB10753 2010 孔径应符合设计要求 孔的深度应大于锚杆长度10cm 孔距允许偏差为 15cm 插入长度不得小于设计长度的95 且应位于孔的中心 JTGF80 1 2004 孔径 砂浆锚杆大于直径 15mm 其它符合设计要求 锚杆孔的深度允许偏差 50mm 锚杆孔位允许偏差 15mm 4初期支护检测 检测频率TB10753 2010 全部检查 JTGF80 1 2004 检查锚杆数量的10 检测方法TB10753 2010 现场尺量或采用声波反射法 方法简介见4 5 3 JTGF80 1 2004 尺量 4初期支护检测 4 5 3砂浆锚杆的灌注砂浆饱满度铁路标准中对砂浆灌注饱满度有明确规定 公路标准中对此没有规定 标准规定TB10753 2010 砂浆锚杆的灌注砂浆饱满度大于80 检测频率TB10753 2010 测抽样率不应低于总锚杆数的10 且每批不宜少于20根 检测方法TB10753 2010 采用声波反射法 4初期支护检测 检测方法简介 声波反射法是一种无损检测锚杆长度和砂浆饱满度 密实度 的方法 由采集仪及检测器组成 检测时先将锚杆裸露端端面处理干净和平整 检测器吸在裸露锚杆的端面上 通过击震锚杆的端面产生击震波 击震波沿着锚杆传播并向锚杆周围辐射能量 反射回来的时间和能量取决于锚杆周围或端部的锚固密实情况 这时检波器检测到反射波 并有检测仪对反射波进行记录 通过对记录的反射波进行分析 可得出锚杆长度和锚固密实度 然后对锚杆进行综合性评价 根据波形特征和密实度将锚杆质量分为A B C D四个等级 下表为锚杆评判标准表 锚杆无损检测仪 时域 频域图 4初期支护检测 锚固密实度的确定 锚杆的密实度根据公式按长度比例估算 除孔口段末端部分外 锚固密实度可依据反射能量法按公式估算 主要原理是通过反射波能量和入射波能量的比值判定锚固密实度 锚杆检测仪上也有自动计算值 4初期支护检测 4初期支护检测 4 5 4锚杆抗拔力锚杆抗拔力试验是检验锚杆质量的一个参数 通过测定锚杆的抗拔力对锚杆的锚固性能进行大致评价 但铁路和公路行业标准对锚杆抗拔力的规定不同 TB10753 2010中主要强调锚杆的安装和锚杆长度及灌注砂浆饱满度 JTGF80 1 2004中明确了锚杆抗拔力的检测 没有对锚杆长度和灌注砂浆饱满度作规定 但是有些新建铁路线设计图中对抗拔力有具体要求 比如宝兰11标隧道工程图纸中便对锚杆拉拔力作了明确规定 150kN 4初期支护检测 标准规定JTGF80 1 200428d抗拔力平均值 设计值 最小抗拔力 0 9倍设计值 检测频率JTGF80 1 2004按锚杆总数的1 且不小于3根 试验方法 锚杆拉拔仪锚杆拉拔仪是利用喷射混凝土为支撑面 通过油压千斤顶加压 测试出锚杆的抗拔力 见下图 试验过程中需特别注意 千斤顶应与锚杆同心 切忌偏心受拉 要求被测锚杆周围喷射混凝土面平整 加载应匀速 一般以10kN min的速率增加 如无特殊需要 一般可不做破坏性试验 拉拔到设计拉力即停止加载 千斤顶应固定牢靠 操作人员不能站在锚杆的轴线延长线方向 正后方 5防排水 防水板对隧道的防渗漏水起到关键作用 没有牢靠的隧道防水板 地下水会侵 严重时会影响隧道的使用寿命 铁路规范中对防水板的铺设和防水板焊缝作为主控项目进行控制 5 1防水板的铺设 标准规定TB10753 2010 铺设范围应符合设计要求 与基面固定牢固 松紧应适度 不得有绷紧和破损现象 实铺长度与初期支护基面弧长比值为10 8 挂吊点设置的数量应合理 搭接宽度 15cm 分段铺设的防水板的边缘部位应预留至少60cm的搭接余量 允许偏差为 10mm 全包式防水应在防水板搭接宽度15cm左右两侧各留不小于10cm铺设双面自粘式防水板 防水板搭接缝与施工缝错开距离不应小于100cm 允许偏差为5mm 环向铺设时先拱后墙 下部防水板应压住上部的防水板 5防排水 JTGF80 1 2004搭接宽度 10cm 缝宽 两侧焊缝宽 25mm 粘缝宽 50mm 每个搭接检查5处 固定点间距符合设计要求 检查总数的10 检查频率 TB10753 2010 每浇筑一段检查一次 JTGF80 1 2004 搭接宽度 全部搭接均要检查 每个搭接检查3处 缝宽 每个搭接检查5处 固定点间距 检查总数的10 检查方法 观察和尺量 5防排水 5 2防水板接缝质量检测铁路规范对焊缝作了明确规定 而且在 铁路防排水施工技术指南 中明确了检测方法 高铁验标条文里进行了规定 公路规范作了一般性规定 标准规定TB10753 2010 防水板按设计要求进行双焊缝焊接时 每一单焊缝的宽度不应小于15mm 焊缝应无 焊焦 焊穿等现象 若有漏焊 假焊 应补焊 若有焊焦 焊穿处 以及外露的固定点 应采用同质材料覆盖焊接 JTGF80 1 2004 接缝 补眼黏贴密实饱满 不得有气泡孔隙 检验频次公路规范作为外观鉴定一般检查项目 TB10753 2010 要求如下 每一浇筑段环向检查1条焊缝 纵向检查2条焊缝 检验方法焊缝质量采用双焊缝间充气检查 对防水板的补焊采用负压检测法 即真空罩 进行检验 下面简要叙述一下充气检查焊缝的过程 5防排水 检验方法简介充气检查方法是将5号注射针与压力表相连接 用打气筒进行充气 当压力表达到0 25MPa时停止充气 保持15min 压力下降在10 以内 焊缝合格 如果压力下降过快说明有渗漏 用肥皂水涂抹在焊缝上 找到有气泡的地方予以重新补焊 充气检测的长度不宜大于40m 充气检测仪 5防排水 6二衬混凝土质量检测 6 1新拌混凝土强度检测混凝土强度等级必须符合设计要求 施工过程中混凝土强度的检测主要以标养的混凝土试件为准 隧道衬砌 仰拱 底板混凝土尚应采用同条件试件检测结构实体强度 铁路隧道工程试件标养时间56天 公路隧道工程试件标养试件28天 均以150 150 150mm为标准 不同强度等级及不同配比的混凝土应在浇筑点随机制作试件 6二衬混凝土质量检测 6 2二衬混凝土强度检测二衬混凝土硬化后需对其强度进行检测 检测方法主要有回弹法 超声回弹综合法和取芯法 前两种为无损检测方法 取芯法比较准确 1 回弹法由于混凝土的抗压强度与其表面硬度存在相关关