矿山法隧道复合式衬砌工后质量控制技术

1、 s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University2015年年8月月矿山法隧道复合式衬砌矿山法隧道复合式衬砌工后质量控制技术工后质量控制技术汇汇报报提提要要 s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y一、一、概述概述西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University一、概述隧道工程是一项隐蔽性很强的工程，其施工是一个动态过程，因隧道工程是一项隐蔽性很强的工程，其

2、施工是一个动态过程，因此，通常按施工的先后顺序将工程质量控制分成三个阶段：即此，通常按施工的先后顺序将工程质量控制分成三个阶段：即施工前施工前检测检测、施工中、施工中检测和检测和施工后施工后检测。检测。（1 1）施工前检测）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、混原材料、混凝土配合比、外加剂凝土配合比、外加剂等进行检测，防止不合格的材料进入施工现场，等进行检测，防止不合格的材料进入施工现场，只有用只有用合格合格的的材料材料才能修建出才能修建出合格合格的的工程工程。1 1、隧道质量控制过程、隧道质量控制过程一、概述（2 2）

3、施工中检测）施工中检测目前的质量控制大多是目前的质量控制大多是“重二衬，轻初支重二衬，轻初支”，实际上隧道，实际上隧道初期支护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相当重要的作用，是隧道的主要承力结构，对整个隧道结构的耐久性起着相当重要的作用，故在隧道施工质量过程控制中，对初期支护的施工质量均需进行必要的故在隧道施工质量过程控制中，对初期支护的施工质量均需进行必要的检测。施工中检测主要包括：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、开挖断面、锚杆质量（长度、砂浆饱和度、抗拔力）、钢拱架或格栅钢架、喷混凝土强度、厚度及背后空没事抗拔力）、钢拱架或格栅钢架、

4、喷混凝土强度、厚度及背后空没事等，等，主体主体为初期支护为初期支护。（3 3）施工后检测）施工后检测隧道施工完成后，检测的主要项目为隧道施工完成后，检测的主要项目为隧道净空、二次衬砌强度、二隧道净空、二次衬砌强度、二次衬砌厚度、衬砌内钢筋、混凝土密实度以及衬砌背后空洞次衬砌厚度、衬砌内钢筋、混凝土密实度以及衬砌背后空洞等，主体为等，主体为二次衬砌二次衬砌。1 1、隧道质量控制过程、隧道质量控制过程一、概述2 2、隧道质量检测主要项目及方法、隧道质量检测主要项目及方法（1）按施工过程 s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y二、开

5、挖轮廓控制二、开挖轮廓控制西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University开挖轮廓控制的内容、方法及仪器设备开挖轮廓控制的内容、方法及仪器设备隧道允许超挖值（隧道允许超挖值（cmcm） 客运专线铁路隧道工程施工技术指南客运专线铁路隧道工程施工技术指南TZ 2142005规定：隧道开规定：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（每1m2不大于不大于0.1m2、高度不大于、高度不大于5cm）。拱脚和墙脚以上）。拱脚和墙脚以上1m范围内严禁范围内严禁欠挖。欠挖。 在控

6、制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即必需改变在控制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即必需改变“宁超勿宁超勿欠欠”的传统观点，树立的传统观点，树立“少欠少超少欠少超”的观点，即应容许一定程度的欠挖。的观点，即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。即在开挖断的欠挖。即在开挖断面上取面上取100个点，有不超过个点，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。廓线的无谓扩大，而使超挖得以减少。例如，铁路隧道施工规范规定：当围岩完整、石质坚

7、硬时，容许岩石个例如，铁路隧道施工规范规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分（每别突出部分（每1m2不大于不大于0.1m2）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的1/3，并小于并小于10cm。对喷锚衬砌应不大于。对喷锚衬砌应不大于5cm。（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制实际施工中，周边孔开实际施工中，周边孔开口位置口位置e有三种情况，其出现有三种情况，其出现机率和差值大小则主要决定机率和差值大小则主要决定于钻孔水平。第于钻孔水平。第1种情况（种情况（a）不影响超欠挖；在（不影响超欠挖；在（b）的情）的情况时，将使超挖增加一个况时，将使

8、超挖增加一个e值，值，而第而第3种情况，将使超挖减小种情况，将使超挖减小一个一个e值，但出现欠挖。值，但出现欠挖。因而，钻孔时先定位，因而，钻孔时先定位，后钻进，并在掌子面上完整后钻进，并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线，把醒目地标出周边孔位线，把e控制在较小范围内（约在控制在较小范围内（约在3cm）是可能的。）是可能的。（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制1 1、激光断面仪、激光断面仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制 开隧道开挖后，检测隧道开挖断面情况可采用开隧道开挖后，检测隧道开挖断面情况可采用激光断面仪激光断面仪（如国（如国产产BJSD-2BJSD-

9、2型隧道限界检测仪）进行检测，通过激光断面仪对开挖断面型隧道限界检测仪）进行检测，通过激光断面仪对开挖断面检测、数据处理后，可以检测、数据处理后，可以评价评价隧道隧道开挖质量开挖质量、评价超欠挖情况等。、评价超欠挖情况等。BJSD-2BJSD-2型隧道型隧道限界检测仪限界检测仪 隧道断面现场检测照片隧道断面现场检测照片在隧道开挖后，将激光断面仪架设在检测在隧道开挖后，将激光断面仪架设在检测横断面横断面上对开挖轮廓进上对开挖轮廓进行检测，对行检测，对实测数据实测数据进行分析处理，得出隧道进行分析处理，得出隧道开挖轮廓断面开挖轮廓断面，与，与设计设计的开挖线的开挖线相比较，可相比较，可评价评价隧道

10、开挖的隧道开挖的超欠挖超欠挖情况，对隧道的情况，对隧道的开挖质量开挖质量进行评价，详见图进行评价，详见图3 3、4 4所示。所示。图图3 3 开挖断面与设计轮廓比较图开挖断面与设计轮廓比较图图图4 4 检测断面数据统计检测断面数据统计1 1、激光断面仪、激光断面仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制BJSD-2BJSD-2型隧道限界检测仪专用软件界面型隧道限界检测仪专用软件界面1 1、激光断面仪、激光断面仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制 在普通激光测距基础上又进一步融合

11、影像处理技术、遥感技术 直接成果：三维点云、雷达影像、与测站距离 后续成果：影像特征、内表面几何等2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制用大空间相位式三维激光扫描仪（型号用大空间相位式三维激光扫描仪（型号Focus 3D 120）进行隧道）进行隧道几何技术尺寸、断面尺寸及变形量测定。几何技术尺寸、断面尺寸及变形量测定。该仪器可在隧道无光照条件下以每该仪器可在隧道无光照条件下以每3分钟分钟20米的外业速度、米的外业速度、976000点点/秒的精度、每测站仅需秒的精度、每测站仅需25分钟的高效率、毫米级点间距的格网分钟的高效率、毫米级点间距的格网“

12、实景复制实景复制”隧道内表面，一次作业即可全面检测断面收敛、净空分析隧道内表面，一次作业即可全面检测断面收敛、净空分析、中心轴线坐标、隧道异状等隧道工程检测项目。、中心轴线坐标、隧道异状等隧道工程检测项目。2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制将三维激光扫描仪架设在准备工作的隧道中线上做为测站将三维激光扫描仪架设在准备工作的隧道中线上做为测站1，将，将2个参考球个参考球A、B（如图下图所示）沿隧道纵向放在仪器外（如图下图所示）沿隧道纵向放在仪器外10m距离，参距离，参考球考球A、B的摆放要能够良好识别并有一定高度差。的摆放要能够良好识别并有一定

13、高度差。测站测站1扫描示意图扫描示意图2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描360度后，会保存三度后，会保存三维点云数据，并在显示屏上显示出隧道云图。维点云数据，并在显示屏上显示出隧道云图。扫描完成后显示的隧道云图扫描完成后显示的隧道云图 2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制测站测站1扫描完成后将三维激光扫描仪沿隧道轴线向前搬动扫描完成后将三维激光扫描仪沿隧道轴线向前搬动20m距距离，在隧道中线上架设为测站离，在隧道中线上架设

14、为测站2，参考球，参考球A、B保持原位不动，将参考保持原位不动，将参考球球C、D沿隧道纵向放在仪器前方沿隧道纵向放在仪器前方10m距离（如下图所示），参考球距离（如下图所示），参考球C、D的摆放要能够良好识别并有一定高度差。的摆放要能够良好识别并有一定高度差。测站测站2扫描示意图扫描示意图开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描360度后，会保存三维点云数度后，会保存三维点云数据，并在显示屏上显示出该段隧道云图。据，并在显示屏上显示出该段隧道云图。重复以上步骤直至整个隧道扫描结束。重复以上步骤直至整个隧道扫描结束。2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及

15、超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制左图为左图为500500万数码相机拍摄照片，右图为万数码相机拍摄照片，右图为激光雷达影像激光雷达影像成像对比：成像对比：2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制 放大高分辨率扫描图像高分辨率扫描图像2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制对点云数据对点云数据处理，生成正射激光雷达影像，每个像素都具有坐标信处理，生成正射激光雷达影像，每个像素都具有坐标信息。息。里程2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制太行山隧道掌子

16、面及洞周影像太行山隧道掌子面及洞周影像2 2、3D3D激光扫描仪激光扫描仪（一）开挖轮廓及超欠挖控制（一）开挖轮廓及超欠挖控制超欠挖方量超欠挖方量 s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y三、掌子面地质素描三、掌子面地质素描西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University一、系统开发基本情况介绍一、系统开发基本情况介绍二、隧道掌子面数字图像采集二、隧道掌子面数字图像采集 三、基于掌子面图像的分析三、基于掌子面图像的分析 四、系统实现及应用四、系统实现及应用本节主要内容本节主要内容（一）系统开发基

17、本情况介绍（一）系统开发基本情况介绍本系统以随隧道施工跟踪拍摄的掌子面数码图像为主本系统以随隧道施工跟踪拍摄的掌子面数码图像为主要原始数据，通过数字图像处理技术，自动提取掌子面上要原始数据，通过数字图像处理技术，自动提取掌子面上的节理、裂隙等边界信息，辅以人工干预，实现对掌子面的节理、裂隙等边界信息，辅以人工干预，实现对掌子面的特征分析和生成掌子面地质素描。的特征分析和生成掌子面地质素描。同时，根据相邻掌子面上主要的结构面迹线间的对应同时，根据相邻掌子面上主要的结构面迹线间的对应关系，建立三维结构面模型，实现对三维结构面的横向、关系，建立三维结构面模型，实现对三维结构面的横向、纵向剖切、掌子面

18、前方三维结构面预测。纵向剖切、掌子面前方三维结构面预测。（一）系统开发基本情况介绍（一）系统开发基本情况介绍系统中掌子面图像的基本处理流程系统中掌子面图像的基本处理流程（二）隧道掌子面数字图像采集（二）隧道掌子面数字图像采集1 1、采集设备、采集设备（1 1）照明设备：使隧道掌子面具有一定亮度）照明设备：使隧道掌子面具有一定亮度（2 2）三角架：保持相机平稳和稳定，提高图像采集质量）三角架：保持相机平稳和稳定，提高图像采集质量（3 3）钢卷尺：设置图像距离与实际距离的比例尺）钢卷尺：设置图像距离与实际距离的比例尺（4 4）数码相机）数码相机（二）隧道掌子面数字图像采集（二）隧道掌子面数字图像采

19、集2 2、图像采集过程、图像采集过程刚卷尺测量掌子面上两点间距离调整三角架位置刚卷尺测量掌子面上两点间距离调整三角架位置调整相机碘钨灯照明图像采集记录掌子面里程调整相机碘钨灯照明图像采集记录掌子面里程 测量结构面产状测量结构面产状掌子面上两点掌子面上两点间距离间距离（x1,y1)（x2,y2)（三）基于掌子面图像的分析（三）基于掌子面图像的分析 1 1、隧道掌子面图像预处理、隧道掌子面图像预处理为弥补实际隧道掌子面数码图像质量上的不足，考虑通为弥补实际隧道掌子面数码图像质量上的不足，考虑通过图像处理算法实现对隧道掌子面数码图像的处理，以使图过图像处理算法实现对隧道掌子面数码图像的处理，以使图像

20、质量更佳。像质量更佳。原始图像原始图像直方图均衡化直方图均衡化（三）基于掌子面图像的分析（三）基于掌子面图像的分析 原始图像原始图像色相色相/ /饱和度调整结果饱和度调整结果灰度折线变换灰度折线变换亮度亮度/ /对比度调节对比度调节（三）基于掌子面图像的分析（三）基于掌子面图像的分析 原始图像原始图像最小值滤波最小值滤波中值滤波中值滤波最大值滤波最大值滤波USMUSM图像锐化图像锐化2 2、边缘检测及边界提取、边缘检测及边界提取检测并提取出掌子面图像中的节理、裂隙等边界。检测并提取出掌子面图像中的节理、裂隙等边界。原始图像原始图像边缘检测结果边缘检测结果测试图像测试图像边界自动提取结果边界自动

21、提取结果（三）基于掌子面图像的分析（三）基于掌子面图像的分析 3 3、人工智能剪刀、人工智能剪刀通过边界提取算法提取的岩体节理、裂隙等边界可能存在错误或遗漏，通过边界提取算法提取的岩体节理、裂隙等边界可能存在错误或遗漏，因此需要在图像处理过程中加入人机交互功能，删除错误边界并加入遗漏因此需要在图像处理过程中加入人机交互功能，删除错误边界并加入遗漏的边界。的边界。 人工智能剪刀是通过鼠标操作和自动搜索功能相结合实现对节理、裂人工智能剪刀是通过鼠标操作和自动搜索功能相结合实现对节理、裂隙等边界的半自动提取。隙等边界的半自动提取。 原始图像原始图像人工智能剪刀人工智能剪刀（三）基于掌子面图像的分析（

22、三）基于掌子面图像的分析 4 4、隧道掌子面结构面特征分析、隧道掌子面结构面特征分析根据提取出的节理、裂隙等，统计分析以下特征参数。根据提取出的节理、裂隙等，统计分析以下特征参数。结构面延续长度结构面延续长度单位面积裂隙总延长单位面积裂隙总延长结构面视倾角结构面视倾角节理组数节理组数结构面间距结构面间距 岩石质量指标岩石质量指标RQDRQD（三）基于掌子面图像的分析（三）基于掌子面图像的分析 （三）基于掌子面图像的分析（三）基于掌子面图像的分析 5 5、三维结构面分析、三维结构面分析根据相邻掌子面上属于同一结构面的边界线的对应关系，可建立根据相邻掌子面上属于同一结构面的边界线的对应关系，可建立

23、空间三维结构面图形。空间三维结构面图形。一个结构面在一定范围内可近似为一个平面，由此可预测掌子面一个结构面在一定范围内可近似为一个平面，由此可预测掌子面前方的结构面，如下图所示。前方的结构面，如下图所示。另外，根据三维结构面，可分析得到其不同方向的剖面。另外，根据三维结构面，可分析得到其不同方向的剖面。（四）系统实现及应用（四）系统实现及应用隧道掌子面地质信息系统（隧道掌子面地质信息系统（TFGISTFGIS）包括了隧道掌子面）包括了隧道掌子面平面图平面图像处理像处理和和隧道三维地质图像分析隧道三维地质图像分析两部份。两部份。 系统功能系统功能（四）系统实现及应用（四）系统实现及应用“平面图像

24、处理平面图像处理”主界面主界面（四）系统实现及应用（四）系统实现及应用“三维地质图像分析三维地质图像分析”主界面主界面（四）系统实现及应用（四）系统实现及应用通过人工交互功能，生成地质素描图通过人工交互功能，生成地质素描图ZK1+505.2ZK1+505.2地质素描图地质素描图 ZK1+507.3ZK1+507.3地质素描图地质素描图 （四）系统实现及应用（四）系统实现及应用根据结构面边界线图形，自动提取结构面特征参数根据结构面边界线图形，自动提取结构面特征参数隧道掌子面特征参数隧道掌子面特征参数（四）系统实现及应用（四）系统实现及应用隧道地质结构面的三维重建隧道地质结构面的三维重建 结构面视

25、图结构面视图 隧道三维实体视图隧道三维实体视图 （四）系统实现及应用（四）系统实现及应用隧道掌子面及结构面视图隧道掌子面及结构面视图1 1 隧道掌子面及结构面视图隧道掌子面及结构面视图2 2 隧道地质结构面的三维重建隧道地质结构面的三维重建 s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y四、喷混凝土质量检测四、喷混凝土质量检测西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University初期支护质量检测的内容、方法及仪器设备初期支护质量检测的内容、方法及仪器设备（一）喷混凝土强度1 1、气压射钉枪强度检测系统、气压

26、射钉枪强度检测系统 根据根据喷混凝土喷混凝土表面特征表面特征，宜采用气压射钉枪无损检测方法对其强，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、射钉枪、空压计、空压管、空压机、变压器、数显深度游标卡尺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压射钉枪系统额定工作电压为100100伏，故通过变压器将国内伏，故通过变压器将国内220220伏转换伏转换成成100100伏。伏。气压射钉枪检测系统气压射钉枪检测系统及射钉枪照片详见下图。及射钉枪照

27、片详见下图。气压射钉枪强度测试系统示意图气压射钉枪强度测试系统示意图 气压射钉枪的气压射钉枪的工作原理工作原理是射钉枪在是射钉枪在恒定高压气体推力恒定高压气体推力作用下推动作用下推动经过经过特殊标定的射钉特殊标定的射钉高速高速进入混凝土中，一部分能量消耗于钢钉与混进入混凝土中，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，则其射枪引发的子弹初始动能是恒定的，则其贯入深度贯入深度取决于混凝土的取决于混凝土的力力学性质学性质，通过射钉的，通过射钉的贯入度贯入度可推定可推

28、定混凝土强度混凝土强度（深度与强度的关系由（深度与强度的关系由实验标定公式确定）。实验标定公式确定）。（一）喷混凝土强度1 1、气压射钉枪强度检测系统、气压射钉枪强度检测系统 气压射钉枪检测方法具有检测结果气压射钉枪检测方法具有检测结果客观可靠、操作方便、省工省客观可靠、操作方便、省工省时时等优点等优点, ,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, ,取取得了令人满意的结果。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喷混凝土强度与射钉贯入深度关系曲线（一）喷混凝土强度1 1、气压射钉枪强度检测系统、气压射钉枪强度检测系统 在

29、检测中，对喷混凝土的在检测中，对喷混凝土的早期强度早期强度及及晚期强度晚期强度进行检测，通过大进行检测，通过大量的试验建立起量的试验建立起强度龄期成长曲线强度龄期成长曲线后，即可后，即可通过检测早期强度通过检测早期强度预测晚预测晚期强度期强度，用以及时，用以及时调整调整施工方法施工方法及及配合比参数配合比参数，以，以确保确保隧道初期支护隧道初期支护喷混凝土的喷混凝土的晚期强度是否满足要求晚期强度是否满足要求。 这是其他方法不便实现的。这是其他方法不便实现的。（一）喷混凝土强度1 1、气压射钉枪强度检测系统、气压射钉枪强度检测系统2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法 1 1）根据要求布置

30、强度测区，隧道强度检测时测区一般布置在）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左边墙、右边墙、拱顶边墙、右边墙、拱顶等位置；等位置； 2 2）在确定的测区内，用超声回弹模子）在确定的测区内，用超声回弹模子标出标出回弹的回弹的弹击点弹击点及超声及超声声速值声速值测点测点，用混凝土回弹仪测试回弹值（，用混凝土回弹仪测试回弹值（1616个测点），用超声波检个测点），用超声波检测仪测试测仪测试3 3个超声波声时值（取其平均值）；个超声波声时值（取其平均值）； 3 3）在检测的同时，由）在检测的同时，由专人专人对回弹值、超声波声时值作好对回弹值、超声波声时值作好记录记录。 4 4）将现场测

31、试的）将现场测试的回弹值、超声值回弹值、超声值按规范要求进行按规范要求进行修正后修正后，利用，利用经验公式经验公式计算计算测区混凝土测区混凝土强度的推算值强度的推算值（若有钻芯取样，还要结合抗（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压强度进行修正），从而对整个隧道衬砌混凝土强度强度进行进行评定评定。（一）喷混凝土强度回弹回弹测点示意测点示意超声超声测点示意测点示意（一）喷混凝土强度2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法 对衬砌混凝土强度检测采用对衬砌混凝土强度检测采用超声超声- -回弹综合法回弹综合法结合结合少量的少量的钻芯取样钻芯取样进进行检测。超声波测试仪

32、及回弹仪见图行检测。超声波测试仪及回弹仪见图: :NM4BNM4B超声波测试仪超声波测试仪TICOTICO超声波测试仪超声波测试仪（一）喷混凝土强度2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法20002000数显回弹仪数显回弹仪机械混凝土回弹仪机械混凝土回弹仪（一）喷混凝土强度2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法 （1 1）超声）超声- -回弹检测回弹检测 在隧道内沿在隧道内沿纵向纵向每隔每隔一定距离一定距离、在、在不同部位不同部位设置测区，采用设置测区，采用混凝土混凝土回弹仪回弹仪在测区内测得隧道衬砌混凝土的在测区内测得隧道衬砌混凝土的回弹值回弹值，并用，并用超声波测试仪超声波测试仪

33、在相同在相同测区内测得超声波在隧道衬砌混凝土中传播的测区内测得超声波在隧道衬砌混凝土中传播的波速波速，再根据，再根据“回弹回弹超声超声”综合法的以下公式求出隧道衬砌综合法的以下公式求出隧道衬砌混凝土推定强度值混凝土推定强度值。（一）喷混凝土强度2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法 （2 2）钻取芯样检测）钻取芯样检测 钻芯钻芯取样为局部检测，主要用于取样为局部检测，主要用于修正修正超声回弹所得混凝土的超声回弹所得混凝土的强度强度。芯。芯样钻取位置必须在超声回弹检测范围以内，样钻取位置必须在超声回弹检测范围以内，在现场在现场采用钻机（如：采用钻机（如：ZKJZKJ200200型金刚石钻机

34、）钻取芯样（芯样直径：型金刚石钻机）钻取芯样（芯样直径：100100或或150150）后，）后，在室内在室内进进行芯样试件制作并养护后采用压力试验机（行芯样试件制作并养护后采用压力试验机（NYL60NYL60型）对芯样试件进行型）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。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（见下式）得出隧道衬砌混凝土的强度强度，并将其结果与，并将其结果与设计强度设计强度进行进行比较比较分析，得出隧道衬砌混凝土强度分析，

35、得出隧道衬砌混凝土强度是否满足要求是否满足要求。（一）喷混凝土强度2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法钻芯机钻芯机（一）喷混凝土强度钻芯修正后的换算强度可按下列公式计算：钻芯修正后的换算强度可按下列公式计算： 2 2、超声、超声- -回弹综合法回弹综合法（一）喷混凝土强度3 3、现场检测照片、现场检测照片- -超声回弹综合法超声回弹综合法（一）喷混凝土强度3 3、现场检测照片、现场检测照片- -超声回弹综合法超声回弹综合法（一）喷混凝土强度3 3、现场检测照片、现场检测照片- -超声回弹综合法超声回弹综合法（一）喷混凝土强度4 4、取芯及试验照片、取芯及试验照片- -钻芯法钻芯法（一）

36、喷混凝土强度4 4、取芯及试验照片、取芯及试验照片- -钻芯法钻芯法（一）喷混凝土强度4 4、取芯及试验照片、取芯及试验照片- -钻芯法钻芯法（一）喷混凝土强度4 4、取芯及试验照片、取芯及试验照片- -钻芯法钻芯法（一）喷混凝土强度4 4、取芯及试验照片、取芯及试验照片- -钻芯法钻芯法（二）喷混凝土厚度1 1、激光断面仪法、激光断面仪法 在隧道在隧道开挖后开挖后，用激光断面仪对，用激光断面仪对开挖断面开挖断面进行测量，待进行测量，待喷混凝土施作喷混凝土施作完成后，完成后，在相同断面作在相同断面作净空断面净空断面进行测量，利用两次测量结果的进行测量，利用两次测量结果的差值差值，可，可得出该断

37、面混凝土得出该断面混凝土厚度的准确值厚度的准确值（见下图）。（见下图）。喷混凝土厚度喷混凝土厚度喷混凝土后检测断面喷混凝土后检测断面 开挖后检测断面开挖后检测断面（二）喷混凝土厚度2 2、3D3D激光扫描仪法激光扫描仪法 在隧道在隧道开挖后开挖后，用，用3D3D激光扫描仪对激光扫描仪对开挖断面开挖断面进行测量，待进行测量，待喷混凝土施喷混凝土施作完成后，作完成后，在相同断面作在相同断面作净空断面净空断面进行测量，利用两次测量结果的进行测量，利用两次测量结果的差值差值，可得出该断面混凝土可得出该断面混凝土厚度的准确值厚度的准确值（见下图）。（见下图）。（二）喷混凝土厚度利用雷达波通过结构、构造物

38、反射回来的波形差异进行分析处理检测对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。一般运用于检测象。一般运用于检测区域较大区域较大、检测、检测对象复杂对象复杂，要求检测，要求检测精度适中精度适中，且检测，且检测速度较快速度较快的情况。的情况。地质雷达应用地质雷达应用脉冲电磁波脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布。地质雷达的发射天线向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混凝土内发射高频宽带短脉冲高频宽带短脉冲电磁波电磁波，电磁波遇到具有，电磁波遇到具有不同介电特性不同介电特性的混凝的混凝土与围岩土与围岩界面界面时有部分返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。时

39、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。当当发射和接收天线发射和接收天线沿物体表面逐点沿物体表面逐点同步移动同步移动时，就能得到其内部介质的时，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剖面图像。根据接收到波的旅行时间( (双程走时双程走时) )、幅度频率与波形变化资料，、幅度频率与波形变化资料，可以推断可以推断介质的内部结构介质的内部结构以及以及目标体目标体的的深度、形状深度、形状等特征参数。等特征参数。1 1）检测原理）检测原理3 3、地质雷达法、地质雷达法vxzt/422式式(1) (1) 脉冲波走时按式（脉冲波走时按式（1 1）进行计算）进行计算: : 式中式中

40、: :值在剖面探测中是固定的；值值在剖面探测中是固定的；值(mns(mns-1-1) )可以利用现成数据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或测定获得，由上式可得目标体的深度值( () )。 反射探测原理图反射探测原理图 检测结果与实际结构的对照图检测结果与实际结构的对照图 隧道衬砌与围岩的隧道衬砌与围岩的相对介电常数相对介电常数的的对比对比决定分层是否决定分层是否“可见可见”。当。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，也使得缺陷使得缺陷“可见可见”，见上图右。，见上图右。（二）喷混凝土厚度3

41、 3、地质雷达法、地质雷达法 采用地质雷达对混凝土厚度进行检测前要解决的问题：采用地质雷达对混凝土厚度进行检测前要解决的问题：天线频率天线频率的选的选择、雷达波在喷混凝土中的择、雷达波在喷混凝土中的波速标定波速标定。 地质雷达各频率天线均有各自适宜的探测深度及分辨率，地质雷达各频率天线均有各自适宜的探测深度及分辨率，根据根据混凝土混凝土的的厚度厚度，宜选用，宜选用900MHz900MHz或或1000MHz1000MHz天线；对于天线；对于波速波速标定，建议采用激光断面标定，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仪通过断面检测得出混凝土厚度来实现. .RAMACRAMAC型地质雷达各

42、频率天线型地质雷达各频率天线（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法 图图1 RAMAC 型主机型主机 图图2 1000MHz天线天线 图图3 500MHz天线天线（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法2 2）测线布置）测线布置实际工程中，通常要求实际工程中，通常要求沿隧道纵向设置拱部的沿隧道纵向设置拱部的3 3条纵向测线条纵向测线 。测线每测线每510m 应有一里程标记。应有一里程标记。测线布置见下图：测线布置见下图：（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法图图4 4 雷达测线纵断面布置图雷达测线纵断面布置图图图5 5 雷达测线横断面布置图雷达测线横断面布置图图图6

43、 6 检测方式图检测方式图（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法3)3)混凝土厚度混凝土厚度 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。接收反射波并记录反射波的旅行时间。 根据接收到波的根据接收到波的旅行时间旅行时间( (双程走时双程走时) )、标定的地质雷达在混凝土中的、标定的地质雷达在混凝土中的波波速值速值，再由式（，再由式（2 2）可

44、求出）可求出混凝土厚度混凝土厚度。 (2)(2) 式中式中: v: v地质雷达波的波速；地质雷达波的波速； tt地质雷达波的双程走时。地质雷达波的双程走时。2vtd （二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法 衬砌与围岩间会存在明显的衬砌与围岩间会存在明显的反射层反射层，从而利用此反射层来探明二次衬砌，从而利用此反射层来探明二次衬砌混凝土的混凝土的厚度厚度，见下图。，见下图。 衬砌与围岩间存在的明显反射层及层位追踪图衬砌与围岩间存在的明显反射层及层位追踪图（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法上图为衬砌厚度检测图象，用时间触发方式检测上图为衬砌厚度检测图象，用时间触发方式检测,

45、 ,用用RAMAC/GPRRAMAC/GPR雷达，雷达，500500兆屏蔽天线。兆屏蔽天线。（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法上图为隧道上图为隧道拱顶拱顶衬砌厚度检测衬砌厚度检测, ,采用采用RAMAC/GPR CUIIRAMAC/GPR CUII主机主机, ,500500兆屏蔽天线兆屏蔽天线（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法上图为用瑞典上图为用瑞典MALAMALA公司的公司的CUIICUII主机主机, 500, 500兆屏蔽天线在隧道兆屏蔽天线在隧道拱脚拱脚处处检测的雷达图像检测的雷达图像, ,可以清楚看到二衬界面和钢拱架可以清楚看到二衬界面和钢拱架. .（二）喷

46、混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法上图为在隧道拱腰处用上图为在隧道拱腰处用500500兆天线做的。距起点兆天线做的。距起点200200米的左侧是钢筋网（隧道米的左侧是钢筋网（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。界面由于大量充水，界面非常清楚。（二）喷混凝土厚度3 3、地质雷达法、地质雷达法（三）初支背后缺陷1 1、地质雷达法、地质雷达法 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

47、映的信息进行判断。混凝土背后的缺陷形式主要有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不密实及空洞及空洞两种情况。两种情况。 混凝土及背后存在不密实：混凝土及背后存在不密实：不密实不密实的衬砌混凝土体及混凝土背后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不密实的围岩在地质雷达剖面图上的波形杂乱波形杂乱，同相轴错断。，同相轴错断。存在不密实的雷达波检测图存在不密实的雷达波检测图 1)1)不密实不密实 喷混凝土与围岩之间有喷混凝土与围岩之间有空洞空洞: :由于由于空气与混凝土空气与混凝土介电常数介电常数差别较大差别较大，电，电磁波在混凝土与空气之间将产生磁波在混凝

48、土与空气之间将产生强反射信号强反射信号。当空洞比较大时，围岩界面。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，同相轴呈波，同相轴呈弧形弧形，并与相邻道之间发生，并与相邻道之间发生相位错位相位错位，且其，且其能量明显增强能量明显增强。存在空洞的雷达波检测图存在空洞的雷达波检测图 （三）初支背后缺陷1 1、地质雷达法、地质雷达法2)2)空洞空洞（四）喷混凝土质量检测照片（四）喷混凝土质量检测照片（四）喷混凝土质量检测照片（四）喷混凝土质量检测照片 s o u t h w e s t j

49、I a o t o n g w n I v e r s I t y五、锚杆质量检测五、锚杆质量检测西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University锚杆质量检测的内容、方法及仪器设备锚杆质量检测的内容、方法及仪器设备锚杆锚杆是将破碎或不稳定岩体是将破碎或不稳定岩体(块块)与牢固稳定的岩体连结在一起以与牢固稳定的岩体连结在一起以提提高整体稳定性高整体稳定性的一种的一种支护措施支护措施。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。锚杆内端内端处于处于牢固稳定岩体的部段，其锚固力主要起着牢固稳定岩体的部段，其锚固力主

50、要起着固定锚杆的作用固定锚杆的作用；而锚杆；而锚杆外端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岩体(块块)与锚与锚杆连结在一起的作用杆连结在一起的作用（图（图1）。要让锚杆能发挥设计的效果，除保证锚）。要让锚杆能发挥设计的效果，除保证锚杆的杆的长度长度满足设计要求满足设计要求外，还要使各段都能外，还要使各段都能均匀而有效地均匀而有效地与岩体锚固在与岩体锚固在一起（保证注浆饱和度）。一起（保证注浆饱和度）。图图1 理想锚杆受力示意图理想锚杆受力示意图距岩面距离(m)x轴力(kN)P（一）锚杆长度及注浆饱和度（一）锚杆长度及注浆饱

51、和度 锚杆锚杆长度长度及及注浆饱和度注浆饱和度均采用均采用应力反射波法应力反射波法检测。检测仪器为检测。检测仪器为锚锚杆质量检测仪杆质量检测仪，见下图。，见下图。锚杆质量检测仪锚杆质量检测仪 1 1）锚杆长度）锚杆长度 应力反射波法是一种无损检测方法应力反射波法是一种无损检测方法, , 该该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。波反射理论。 在锚杆顶部激发弹性应力波在锚杆顶部激发弹性应力波, , 当弹性应当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部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的岩石存在波阻抗差异, , 将产生反射

52、波回到将产生反射波回到锚杆顶。根据锚杆顶。根据反射波的走时反射波的走时和锚杆中的和锚杆中的应力应力波传播速度波传播速度就可以用就可以用(1)(1)式求出锚杆长度式求出锚杆长度L L ，锚杆中的应力波传播速度可在现场已知长度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。的锚杆上进行标定。2tvLc式中式中: v: vc c锚杆中应力波传播速度锚杆中应力波传播速度; ; t t应力反射波的双程走时。应力反射波的双程走时。（1)应力波在锚固界面上的反射应力波在锚固界面上的反射（一）锚杆长度及注浆饱和度（一）锚杆长度及注浆饱和度 2 2）注浆饱和度）注浆饱和度 注浆饱和度检测注浆饱和度检测通

53、过测定锚杆通过测定锚杆不同方位不同方位、不同距离不同距离应力波应力波的的阻尼阻尼情情况，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：应力波在传播特性可知：应力波在坚硬完整坚硬完整的介质中的介质中传播速度大，衰减速度快传播速度大，衰减速度快，而在而在松散及不完整松散及不完整介质中应力波的介质中应力波的传播速度小，衰减速度慢传播速度小，衰减速度慢。全锚锚杆实测波形与锚固质量结果全锚锚杆实测波形与锚固质量结果（一）锚杆长度及注浆饱和度（一）锚杆长度及注浆饱和度 2 2）注浆饱和度）注浆饱和度 利用应力波这一传播

54、特性来判断注浆饱和度情况，对于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波形规则衰减快则衰减快，近于指数衰减；对于，近于指数衰减；对于注浆饱满程度差注浆饱满程度差的，则砂浆和岩石间的的，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。和度作出判断

55、。部分锚固状态实测波形及锚固状态分析结果部分锚固状态实测波形及锚固状态分析结果（一）锚杆长度及注浆饱和度（一）锚杆长度及注浆饱和度锚杆抗拔力通过锚杆抗拔力通过拉拔试验拉拔试验进行检测。拉拔试验检测方法是一种进行检测。拉拔试验检测方法是一种传统的传统的锚锚杆锚固质量检测方法。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，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，或者当压力计读位移计上的对

56、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。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大小。试验时锚杆的受力状态见图2。距岩面距离(m)x轴力(kN)P图图2 2 抗拔试验时锚杆的受力示意图抗拔试验时锚杆的受力示意图（二）锚杆抗拔力（二）锚杆抗拔力 试验证明：对于高强螺纹锚杆，当试验证明：对于高强螺纹锚杆，当锚固长度锚固长度达到锚杆直径的达到锚杆直径的4242倍倍时，时，握裹力握裹力不再随不再随锚

57、杆长度锚杆长度的增加而增加。隧道锚杆的长度与直径比的增加而增加。隧道锚杆的长度与直径比达到几百倍，而且，由图达到几百倍，而且，由图1 1、2 2可知，锚杆拔抗试验与实际锚杆的受力可知，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。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，要采用应力波法对锚杆的锚固质量进所以，对锚杆进行检测时，要采用应力波法对锚杆的锚固质量进行行无损检测无损检测，再，再配

58、合配合抗拔力试验抗拔力试验进行综合分析，可对锚杆的进行综合分析，可对锚杆的锚固质量锚固质量作出作出较全面的评价较全面的评价。（三）锚杆检测方法评述（三）锚杆检测方法评述 s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y六、钢架检测六、钢架检测西南交通大学西南交通大学Southwest Jiaotong University钢架检测的内容、方法及仪器设备钢架检测的内容、方法及仪器设备在隧道中所使用格栅或型钢拱架，也是隧道初期支护在隧道中所使用格栅或型钢拱架，也是隧道初期支护质量控制中所关心的问题。质量控制中所关心的问题。由于喷混凝土中存在

59、格栅或型钢拱架时，地质雷达剖由于喷混凝土中存在格栅或型钢拱架时，地质雷达剖面图中信号会有变化，可通过这些信号的变化检测出隧道面图中信号会有变化，可通过这些信号的变化检测出隧道施工中所施作格栅或型钢拱架数量。施工中所施作格栅或型钢拱架数量。 （一）钢架（一）钢架1 1、格栅、格栅当混凝土中存在钢筋时，雷达剖面图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，当混凝土中将产生连续点状强反射信号，当混凝土中有中有格栅格栅拱架支撑时，靠得较近的两主筋拱架支撑时，靠得较近的两主筋将形成两个点状强反射信号，则将形成两个点状强反射信号，则两个点状两个点状信号信号形成类似于字母形成类似于字母M M

60、形状的反射信号，每形状的反射信号，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。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存在格栅拱架的雷达波检测图 呈呈M M形的格形的格栅支撑栅支撑存在钢筋的雷达波检测图存在钢筋的雷达波检测图1000MHz天线检测出的衬砌内存在钢筋的地质雷达图像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） （一）钢架（一）