隧道工程质量检测课件ppt.ppt

southwestjIaotongunIversIty 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 2010年01月 高速铁路隧道质量检测 仇文革教授 一 概述二 锚杆质量三 钢架四 隧道衬砌强度五 隧道衬砌厚度及缺陷六 隧道断面七 衬砌裂缝及渗漏水 汇报提要 southwestjIaotongwnIversIty 一 概述 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 一 概述 改革开放以来 国民经济持续稳定向前发展 国家对基础设施建设力度日渐加强 随着国家交通的不断发展 高速 客运专线 重载铁路和高速公路分别是铁路 公路陆路交通发展的主方向 使得新建铁路 公路隧道的等级 规模 数量逐年递增 从而对隧道检测技术提出了更高要求 采用高效且对隧道工程质量能进行全面快速评价的无损检测方法 无损检测方法即是无破损性的检测方法 是针对钻芯取样等有破损性检测提出的 1 隧道衬砌质量无损检测 一 概述 保证工程质量是建设者们的基本要求 因此检测技术作为质量管理的重要手段越来越为人们所重视 隧道工程是一项隐蔽性很强的工程 其施工也是一个动态的过程 因此在工程检测中 也按施工的先后顺序分成三个阶段进行 即施工前 施工中以及施工后检测 1 施工前检测施工前检测主要是与现场中心试验室配合 对结构的原材料 混凝土配合比 外加剂等进行检测 防止不合格的材料进入施工现场 只有用合格的材料才能修建出合格的工程 1 隧道衬砌质量无损检测 一 概述 2 施工中检测目前的质量控制大多是 重二衬 轻初支 实际上隧道初期支护是隧道的主要承力结构 对整个隧道结构的耐久性起着很重要的作用 故在隧道施工质量过程控制中 对初期支护各结构的施工质量均需进行必要的检测 施工中检测主要包括 开挖断面 锚杆质量 长度 砂浆饱和度及抗拔力 钢拱架或格栅钢架 喷混凝土强度 厚度等 主体为初期支护 3 施工后检测隧道施工完成后 检测的主要项目为隧道净空 二次衬砌强度 厚度 密实度以及衬砌背后的空洞等 主体为二次衬砌 1 隧道衬砌质量无损检测 一 概述 2 无损检测内容及其方法 1 按施工过程 一 概述 2 无损检测内容及其方法 2 按检测项目 southwestjIaotongwnIversIty 二 锚杆质量 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 二 锚杆质量 锚杆是将破碎或不稳定岩体 块 与牢固稳定的岩体连结在一起以提高整体稳定性的一种支护措施 当锚杆发挥作用时 锚杆不同部段的功能各不相同 锚杆内端处于牢固稳定岩体的部段 其锚固力主要起着固定锚杆的作用 而锚杆外端处于破碎或不稳定岩体的部段 其锚固力主要起着将该段岩体 块 与锚杆连结在一起的作用 图1 要让锚杆能发挥设计的效果 除保证锚杆的长度满足设计要求外 还要使各段都能均匀而有效地与岩体锚固在一起 保证注浆饱和度 图1理想锚杆受力示意图 二 锚杆质量 2 1锚杆长度及注浆饱和度 锚杆长度及注浆饱和度均采用应力反射波法检测 检测仪器为锚杆质量检测仪 见下图 锚杆质量检测仪 二 锚杆质量 2 1锚杆长度及注浆饱和度 1 锚杆长度应力反射波法是一种无损检测方法 该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论 在锚杆顶部激发弹性应力波 当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异 将产生反射波回到锚杆顶 根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以用 1 式求出锚杆长度L 锚杆中的应力波传播速度可在现场已知长度的锚杆上进行标定 式中 vc 锚杆中应力波传播速度 t 应力反射波的双程走时 1 应力波在锚固界面上的反射 二 锚杆质量 2 1锚杆长度及注浆饱和度 2 注浆饱和度注浆饱和度检测通过测定锚杆不同方位 不同距离应力波的阻尼情况 即锚杆与围岩的耦合情况来判断注浆饱和度 由应力波在介质中的传播特性可知 应力波在坚硬完整的介质中传播速度大 衰减速度快 而在松散及不完整介质中应力波的传播速度小 衰减速度慢 全锚锚杆实测波形与锚固质量结果 二 锚杆质量 2 1锚杆长度及注浆饱和度 2 注浆饱和度利用应力波这一传播特性来判断注浆饱和度情况 对于注浆饱满的 砂浆和岩石的耦合性好 可看成完整的介质 因此应力波的波形规则衰减快 近于指数衰减 对于注浆饱满程度差的 则砂浆和岩石间的耦合性差 可看成松散不完整的介质 应力波的波形杂乱 衰减慢 根据不同方向 不同部位击震的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断 部分锚固状态实测波形及锚固状态分析结果 二 锚杆质量 2 2锚杆抗拔力 锚杆抗拔力通过拉拔试验进行检测 拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法 进行拉拔试验时 将液压千斤顶放在托板和螺母之间 拧紧螺母 施加一定的预应力 然后用手动液压泵加压 同时记录液压表和位移计上的对应读数 当压力或者位移读数达到预定值时 或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时 停止加压 测试后 整理出锚杆的位移 荷载曲线 进而分析出试验锚杆的抗拔力大小 试验时锚杆的受力状态见图2 图2抗拔试验时锚杆的受力示意图 二 锚杆质量 2 2锚杆检测方法评述 试验证明 对于高强螺纹锚杆 当锚固长度达到锚杆直径的42倍时 握裹力不再随锚杆长度的增加而增加 高速铁路隧道锚杆的长与直径比达到几百倍 而且从图1 2可知 锚杆拔抗试验与实际锚杆的受力状态有很大不同 得出锚杆抗拔力与锚杆质量没有必然的相关性 若仅采用抗拔试验 可能导致将不合格锚杆依其抗拔力评定成合格锚杆 所以 对锚杆进行检测时 要采用声频应力波法对锚杆的锚固质量进行无损检测 再配合抗拔力试验进行综合分析 可对锚杆的锚固质量作出较全面的评价 southwestjIaotongwnIversIty 三 钢架 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 三 钢架 在隧道中所使用格栅或型钢拱架支撑数量 也是隧道初期支护质量控制中所关心的问题 由于喷混凝土中存在格栅或型钢拱架支撑时 地质雷达剖面图中信号会有变化 可通过这些信号的变化读出隧道施工时所使用的格栅或型钢拱架支撑数量 检测仪器是地质雷达 见下图 三 钢架 图1RAMAC 型主机 图21000MHz天线图3500MHz天线 三 钢架 1 格栅当混凝土中存在钢筋时 雷达剖面图中将产生连续点状强反射信号 当混凝土中有格栅拱架支撑时 靠得较近的两主筋将形成两个点状强反射信号 则两个点状信号形成类似于字母M形状的反射信号 每一个这样的雷达波信号就对应着一榀格栅拱架支撑 由此信号总数即可统计出整个隧道纵向的格栅拱架支撑数量 存在格栅拱架的雷达波检测图 呈M形的格栅支撑 存在钢筋的雷达波检测图 三 钢架 1000MHz天线检测出的衬砌内存在钢筋的地质雷达图像 500MHz天线检测出的衬砌内存在钢筋的地质雷达图像 标点间距2m 三 钢架 1 6GHz天线采集的数据 钢筋更加清晰 上图为在隧道拱腰处检测的钢筋网图像 用1000兆天线 三 钢架 2 型钢当混凝土中有型钢支撑时 雷达剖面图中将出现特别强的月牙形反射信号 每一个这样的信号表示有一榀型钢拱架支撑 由此信号总数即可统计出整个隧道纵向的型钢拱架支撑数量 存在型钢拱架的雷达波检测图 三 钢架 2 型钢 衬砌内有钢架的地质雷达图像 southwestjIaotongwnIversIty 四 混凝土强度 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 四 混凝土强度 4 1气压射钉枪强度检测系统 针对初期支护 根据喷混凝土表面特征 宜采用气压射钉枪无损检测方法对其强度进行检测 整个系统由射钉枪 空压计 空压管 空压机 变压器 数显深度游标卡尺等组成 其中变压器为国产多功能变压器 由于气压射钉枪系统额定工作电压为100伏 故通过变压器将国内220伏转换成100伏 气压射钉枪检测系统及射钉枪照片详见下图 气压射钉枪强度测试系统示意图 四 混凝土强度 4 1气压射钉枪强度检测系统 针对初期支护 气压射钉枪的工作原理是射钉枪在恒定高压气体推力作用下推动经过特殊标定的射钉高速进入混凝土中 一部分能量消耗于钢钉与混凝土之间的摩擦 另一部分能量由于混凝土受挤压破碎而被消耗 发射枪引发的子弹初始动能是恒定的 则其贯入深度取决于混凝土的力学性质 通过射钉的贯入度可推定混凝土强度 深度与强度的关系由实验标定公式确定 四 混凝土强度 4 1气压射钉枪强度检测系统 针对初期支护 气压射钉枪检测方法具有检测结果客观可靠 操作方便 省工省时等优点 在隧道初期支护喷混凝土的强度检测中发挥了重要作用 取得了令人满意的结果 喷混凝土强度与射钉贯入深度关系曲线 四 混凝土强度 4 1气压射钉枪强度检测系统 在检测中 对喷混凝土的早期强度及晚期强度进行检测 通过大量的试验建立起强度龄期成长曲线后 即可通过检测早期强度预测晚期强度 用以及时调整施工方法及配合比参数 以确保隧道初期支护喷混凝土的晚期强度是否满足要求 这是其他方法不便实现的 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 针对二次衬砌 1 根据要求布置强度测区 隧道强度检测时测区一般布置在左边墙 右边墙 拱顶等位置 2 在确定的测区内 用超声回弹模子标出回弹的弹击点及超声声速值测点 用混凝土回弹仪测试回弹值 16个测点 用超声波检测仪测试3个超声波声时值 取其平均值 3 在检测的同时 由专人对回弹值 超声波声时值作好记录 4 将现场测试的回弹值 超声值按规范要求进行修正后 利用经验公式计算测区混凝土强度的推算值 若有钻芯取样 还要结合抗压强度进行修正 从而对整个隧道衬砌混凝土强度进行评定 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 针对二次衬砌 回弹测点示意 超声测点示意 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 对二次衬砌混凝土强度检测采用超声回弹综合法结合少量的钻芯取样进行检测 超声波测试仪及回弹仪见图 NM 4B超声波测试仪 TICO超声波测试仪 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 2000数显回弹仪 机械混凝土回弹仪 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 1 超声回弹检测在隧道内沿纵向每隔一定距离 在不同部位设置测区 采用混凝土回弹仪在测区内测得隧道衬砌混凝土的回弹值 并用超声波测试仪在相同测区内测得超声波在隧道衬砌混凝土中传播的波速 再根据 回弹 超声 综合法的以下公式求出隧道衬砌混凝土推定强度值 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 2 钻取芯样检测钻芯取样为局部检测 主要用于修正超声回弹所得混凝土的强度 芯样钻取位置必须在超声回弹检测范围以内 在现场采用钻机 如 ZKJ 200型金刚石钻机 钻取芯样 芯样直径 100或 150 后 在室内进行芯样试件制作并养护后采用压力试验机 NYL 60型 对芯样试件进行抗压强度试验 得出衬砌混凝土芯样强度值 通过超声回弹综合法无损检测结合少量钻芯取样进行修正的方法 见下式 得出隧道衬砌混凝土的强度 并将其结果与设计强度进行比较分析 得出隧道衬砌混凝土强度是否满足要求 四 混凝土强度 4 2超声回弹综合检测方法 钻芯机 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 southwestjIaotongwnIversIty 五 混凝土厚度及背后缺陷 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 五 混凝土厚度及背后缺陷 混凝土厚度及背后衬砌缺陷均采用地质雷达进行检测 地质雷达检测原理是 利用雷达波通过结构 构造物反射回来的波形差异进行分析处理检测对象 一般运用于检测区域较大 检测对象复杂 要求检测精度适中 且检测速度较快的情况 地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布 地质雷达的发射天线向混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波 电磁波遇到具有不同介电特性的混凝土与围岩界面时有部分返回 接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间 当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时 就能得到其内部介质的剖面图像 根据接收到波的旅行时间 双程走时 幅度频率与波形变化资料 可以推断介质的内部结构以及目标体的深度 形状等特征参数 见下图 5 1检测原理 五 混凝土厚度及背后缺陷 式 1 脉冲波走时按式 1 进行计算 式中 值在剖面探测中是固定的 值 m ns 1 可以利用现成数据或测定获得 由上式可得目标体的深度值 反射探测原理图检测结果与实际结构的对照图 隧道衬砌与围岩的相对介电常数的对比决定分层是否 可见 当存在缺陷时 由于缺陷与良好衬砌或围岩间的介电常数的对比差异 也使得缺陷 可见 见上图右 五 混凝土厚度及背后缺陷 采用地质雷达对混凝土厚度进行检测前要解决的问题 天线频率的选择 雷达波在喷混凝土中的波速标定 地质雷达各频率天线均有各自适宜的探测深度及分辨率 根据混凝土的厚度 宜选用500MHz天线 对于波速标定 建议采用激光断面仪通过断面检测得出混凝土厚度来实现 RAMAC 型地质雷达各频率天线 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 2测线布置 根据 铁路隧道衬砌质量无损检测规程 测线布置应符合下列规定 1 隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主 横向布线为辅 纵向布线的位置应在隧道拱顶 左右拱腰 左右边墙和隧底各布1条 横向布线可按检测内容和要求布设线距 一般情况线距8 12m 采用点测时每断面不少于6个点 检测中发现不合格地段应加密测线或测点 2 隧道竣工验收时质量检测应纵向布线 必要时可横向布线 纵向布线的位置应在隧道拱顶 左右拱腰和左右边墙各布1条 横向布线线距8 12m 采用点测时每断面不少于5个点 需确定回填空洞规模和范围时 应加密测线或测点 3 三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线 4 测线每5 10m应有一里程标记 测线布置见下图 2020 3 16 51 可编辑 图4雷达测线纵断面布置图 图5雷达测线横断面布置图 图6检测方式图 五 混凝土厚度及背后缺陷 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 3混凝土厚度 地质雷达发射天线向隧道混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波 电磁波遇到具有不同介电特性的混凝土与围岩界面时部分会由反射返回 接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间 根据接收到波的旅行时间 双程走时 标定的地质雷达在混凝土中的波速值 再由式 2 可求出混凝土厚度 2 式中 v 地质雷达波的波速 t 地质雷达波的双程走时 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 3混凝土厚度 衬砌与围岩间会存在明显的反射层 从而利用此反射层来探明二次衬砌混凝土的厚度 见下图 衬砌与围岩间存在的明显反射层及层位追踪图 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 3混凝土厚度 上图为衬砌厚度检测图象 用时间触发方式检测 用RAMAC GPR雷达 500兆屏蔽天线 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 3混凝土厚度 上图为隧道拱顶衬砌厚度检测 采用RAMAC GPRCUII主机 500兆屏蔽天线 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 3混凝土厚度 上图为用瑞典MALA公司的CUII主机 500兆屏蔽天线在隧道拱脚处检测的雷达图像 可以清楚看到二衬界面和钢拱架 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 3混凝土厚度 上图为在隧道拱腰处用500兆天线做的 距起点200米的左侧是钢筋网 隧道内绝大部分是这种结果 右侧是水侵入区域 钢筋图像不清楚 二衬的底界面由于大量充水 界面非常清楚 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 4混凝土背后缺陷 在混凝土内存在不密实以及背后存在缺陷时 均可由地质雷达剖面图上所反映的信息进行判断 混凝土背后的缺陷形式主要有不密实及空洞两种情况 混凝土及背后存在不密实 不密实的衬砌混凝土体及混凝土背后不密实的围岩在地质雷达剖面图上的波形杂乱 同相轴错断 存在不密实的雷达波检测图 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 2混凝土背后缺陷 混凝土与围岩之间有空洞 由于空气与混凝土介电常数差别较大 电磁波在混凝土与空气之间将产生强反射信号 当空洞比较大时 围岩界面清晰可见 在地质雷达剖面图上主要表现为在混凝土层以下出现多次反射波 同相轴呈弧形 并与相邻道之间发生相位错位 且其能量明显增强 存在空洞的雷达波检测图 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 2混凝土背后缺陷 用500兆屏蔽天线做拱顶检测 采用CUII主机 图中箭头所指为脱空 五 混凝土厚度及背后缺陷 5 2混凝土背后缺陷 做拱脚检测 用瑞典MALA公司的CUII主机 500兆屏蔽天线 图中52米到76米处存在大面积脱空 3 结果形式 右线K0 000 K0 250拱顶衬砌厚度 背后缺陷示意图 左线K0 000 K0 250拱顶衬砌厚度 背后缺陷示意图 五 混凝土厚度及背后缺陷 中梁山右线K0 010 030段拱顶测线地质雷达图像 中梁山右线K0 080 110段拱顶测线地质雷达图像 五 混凝土厚度及背后缺陷 中梁山左线K0 170 200段拱顶测线地质雷达图像 中梁山左线K0 100 120段拱顶测线地质雷达图像 五 混凝土厚度及背后缺陷 3 结果形式 右线K0 000 K0 250注浆量示意图 右线K0 000 K0 250注浆量示意图 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 4 现场检测照片 五 混凝土厚度及背后缺陷 southwestjIaotongwnIversIty 六 断面检测 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 控制超欠挖 隧道允许超挖值 cm 六 断面检测 客运专线铁路隧道工程施工技术指南 TZ214 2005规定 隧道开挖不应欠挖 当围岩完整 石质坚硬时 允许岩石个别突出部分侵入衬砌 每1m2不大于0 1m2 高度不大于5cm 拱脚和墙脚以上1m范围内严禁欠挖 在控制超欠挖技术的研究中 首先应改变观念 即必需改变 宁超勿欠 的传统观点 树立 少欠少超 的观点 也就是说 应容许一定程度的欠挖 例如 日本在隧道施工中 基本上容许概率为16 的欠挖 即在开挖断面上取100个点 有不超过16个点的超挖就可以了 这样就可以避免开挖轮廓线的无谓扩大 而使超挖得以减少 例如 铁路隧道施工规范 TB10204 2002 规定 当围岩完整 石质坚硬时 容许岩石个别突出部分 每1m2不大于0 1m2 侵入衬砌 侵入值应小于衬砌厚度的1 3 并小于10cm 对喷锚衬砌应不大于5cm 六 断面检测 实际施工中 周边孔开口位置e有三种情况 其出现机率和差值大小则主要决定于钻孔水平 第1种情况 a 不影响超欠挖 在 b 的情况时 将使超挖增加一个e值 而第3种情况 将使超挖减小一个e值 但出现欠挖 因而 钻孔时先定位 后钻进 并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线 把e控制在较小范围内 约在3cm 是可能的 六 断面检测 六 断面检测 对隧道在各施工阶段的净空尺寸 横断面净空及超欠挖情况 采用激光断面仪 如国产BJSD 2型隧道限界检测仪 或全站仪进行检测 通过激光断面仪对隧道各施工阶段净空尺寸的检测 数据处理 可以评价隧道开挖质量 取代收敛量测以及对地质雷达检测混凝土厚度时进行波速标定和厚度修正等 BJSD 2型隧道限界检测仪隧道断面现场检测照片 六 断面检测 1 开挖质量在隧道开挖后 将激光断面仪架设在检测横断面上对开挖轮廓进行检测 对实测数据进行分析处理 得出隧道开挖轮廓断面 与设计的开挖线相比较 可评价隧道开挖的超欠挖情况 对隧道的开挖质量进行评价 详见图3 4所示 图3检测净空与设计轮廓比较图 图4检测断面数据统计 六 断面检测 BJSD 2型隧道限界检测仪专用软件界面隧道净空检测结果 六 断面检测 在隧道开挖后 用激光断面仪对开挖断面进行测量 待混凝土完成后在相同断面作净空断面进行测量 利用两次测量结果的差值 可得出该断面混凝土厚度的准确值 见图5 结合地质雷达图像分析得到的脉冲波双程走时 再根据式 3 求出混凝土内传播的雷达波速 见图6 图5混凝土厚度 图6拱顶测线处厚度及雷达图像 六 断面检测 从图6可知 d 0 236m 雷达波双程走时为4ns 由式 3 求出波速为0 118m ns 将不同测线在此断面的波速分别求出 再对其进行综合分析 得到混凝土的雷达波速 除此之外 还可将检测断面的混凝土厚度作为准确值 对整个隧道混凝土厚度的检测结果进行修正 五 监测 检测项目 2 净空断面检测 采用激光断面仪对隧道开挖断面 衬支后断面 二衬砌断面进行检测 不仅可以检测出隧道开挖的超欠挖情况 还可以得出衬期支护及二次衬砌厚度 隧道净空情况等 初支 二衬后断面检测示意图 初支 二衬前断面检测示意图 四 检测结果 左线K0 071 4检测断面净空 风机 右线K0 073检测断面净空 风机 2 净空断面检测 四 检测结果 左线K0 071 4检测断面限界 风机 右线K0 073检测断面限界 风机 2 净空断面检测 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 四 检测结果 4 现场检测照片 southwestjIaotongwnIversIty 七 衬砌裂缝及渗漏水 西南交通大学SouthwestJiaotongUniversity 七 衬砌裂缝及渗漏水 在隧道全长内对衬砌的变形和破损 裂缝及渗漏水位置沿隧道洞身里程采用人工目测分格素描的方法进行检查 对隧道衬砌裂缝采用游标卡尺 超声波检