3隧道质量控制技术

southwestjIaotongunIversIty西南交通大学学SouthwestJiaotongUniversity隧道质量控制制技术仇文革教授授2010年07月隧道施工质量量控制技术三阶段质量控控制隧道施工质量量控制是一个个过程，即从从隧道结构““孕育”、““成长”的各各个阶段都要要进行控制，，通过试验、、检测等技术术，提出相应应的控制指标标、方法以及及检测技术。。施工质量控控制包括事前前控制、事中中控制和事后后控制三个阶阶段，三阶段段控制构成了了质量控制的的系统控制过过程。事前控制事前控制要求求预先进行编编制周密的质质量计划。尤尤其是工程项项目施工阶段段，制订质量量计划或编制制施工组织设设计或施工项项目管理实施施规划，都必必须建立在切切实可行、有有效实现预斯斯质量目标的的基础上，作作为一种行动动方案施工部部署。事前控制主要要包括强调质质量目标的计计划预控和按按质量计划进进行质量活动动前的准备工工作状态的控控制。事中控制事中控制首先先是对质量活活动的行为约约束，即对质质量产生过程程各荐技术作作业活动操作作者在相关制制度管理下的的自我行为约约束的同时，，充分发挥其其技术能力，，去完成预定定质量目标的的作业任务；；其次是参建建各方对质量量活动过程和和结果的监督督控制，这里里包括来自企企业内部管理理者的检查检检验和来自企企业外部的工工程监理和政政府质量监督督部门等的监监控。事后控制事后控制包括括对质量活动动结果的评价价认定和对质质量偏差的纠纠正。人理论论上分析，如如果计划控制制过程所制订订的行动方案案考虑得越周周密，事中约约束监控的能能力越强、越越严格，实现现质量预期目目标的可能性性就越大。理理想的状况就就是希望做到到各项作业活活动“一次成成功”、“一一次交验合格格率100%”。由于系统因因素和偶然因因素的存在，，因此当出现现质量实际值值与目标值之之间超出允许许偏差时，必必须分析原因因，采取措施施纠正偏差，，保持项目质质量始终处于于受控状态。。施工质量过程程控制（也称称工后控制））。目前的质质量控制大多多是“重二衬衬，轻初支””，实际上隧隧道初期支护护是隧道的主主要承力结构构，对整个隧隧道结构的耐耐久性起着很很重要的作用用，故在隧道道施工质量过过程控制中，，对初期支护护各结构的施施工质量均需需进行必要的的控制。施工质量过程程控制主要包包括开挖断面面、锚杆质量量（长度及砂砂浆饱和度））、钢拱架或或格栅钢架、、喷混凝土质质量（强度、、厚度及背后后缺陷）、防防水层施工质质量、二次衬衬砌混凝土质质量（强度、、厚度及背后后缺陷）、隧隧道衬砌裂纹纹等的实时控控制。1原材料对于隧道工程程中所要用到到的所有材料料（水泥、砂砂、石、钢材材、防水板、、外加剂等）），在施工前前均需按要求求进行试验，，确保合格之之后才能使用用。对施工过程中中将要用到的的喷混凝土配配合比、二次次衬砌混凝土土配合比及砂砂浆的配合比比等，均要以以工程中将要要采用的各种种材料为基础础进行各种配配合比设计，，以确保混凝凝土及砂浆的的强度满足要要求。2隧道开挖断面面（1）控制超欠挖挖表12-1隧道允许超挖挖值（cm）围岩级别开挖部位ⅠⅡ～ⅣⅤ、Ⅵ拱部线性超挖101510最大超挖152515边墙线性超挖101010仰拱、隧底线性超挖10最大超挖25《客运专线铁路路隧道工程施施工技术指南南》TZ214——2005规定：隧道开开挖不应欠挖挖，当围岩完完整、石质坚坚硬时，允许许岩石个别突突出部分侵入入衬砌（每1m2不大于0.1m2、高度不大于于5cm）。拱脚和墙墙脚以上1m范围内严禁欠欠挖。在控制超欠挖挖技术的研究究中，首先应应改变观念，，即必需改变变“宁超勿欠欠”的传统观观点，树立““少欠少超””的观点。也也就是说，应应容许一定程程度的欠挖，，例如，日本本在隧道施工工中，基本上上容许概率为为16％的欠挖。即即在开挖断面面上取100个点，有不超超过16个点的超挖就就可以了。这这样就可以避避免开挖轮廓廓线的无谓扩扩大，而使超超挖得以减少少。例如，铁铁路隧道施工工规范（TB10204—2002）规定：当围围岩完整、石石质坚硬时，，容许岩石个个别突出部分分（每1m2不大于0.1m2）侵入衬砌，，侵入值应小小于衬砌厚度度的1/3，并小于10cm。对喷锚衬砌砌应不大于5cm。实际施工中，，周边孔开口口位置e有三种情况，，其出现机率率和差值大小小则主要决定定于钻孔水平平。第1种情况（a）不影响超欠欠挖；在（b）的情况时，，将使超挖增增加一个e值，而第3种情况，将使使超挖减小一一个e值，但出现欠欠挖。因而，，钻孔时先定定位，后钻进进，并在掌子子面上完整醒醒目地标出周周边孔位线，，把e控制在较小范范围内（约在在3cm）是可能的。。对隧道在各施施工阶段的净净空尺寸（横横断面净空及及超欠挖）采采用激光断面面仪（如国产产BJSD-2型隧道限界检检测仪，见图图）或全站仪仪进行检测。。通过激光断断面仪对隧道道各施工阶段段净空尺寸的的检测、数据据处理，可以以评价隧道开开挖质量、取取代收敛量测测以及对地质质雷达检测喷喷混凝土厚度度时进行波速速标定和厚度度修正等。（2）激光断面仪仪检测①开挖质量在隧道开挖后后，将激光断断面仪架设在在检测横断面面上对开挖轮轮廓进行检测测，对实测数数据进行分析析处理，得出出隧道开挖轮轮廓断面，与与设计的开挖挖线相比较，，可评价隧道道开挖的超欠欠挖情况，对对隧道的开挖挖质量进行评评价，详见图图。③混凝土厚度度检测在隧道开挖后后，用激光断断面仪或全站站仪对开挖断断面进行测量量，待初期支支护喷混凝土土完成后在相相同断面作初初期支护施作作后的净空断断面进行测量量，利用两次次测量结果的的差值，可得得出该断面初初期支护喷混混凝土厚度的的准确值（见见图）。若在在二次衬砌前前后对相同断断面进行检测测，即可得检检测断面二次次衬砌厚度准准确值。⑤隧道净空状状况检测检测中以隧道道控制网坐标标系统（中线线及高程）为为断面轮廓检检测的坐标系系统，隧道内内每间隔一定定距离（如20m）设置一个检检测断面，每每个检测断面面上设置一定定数量的测点点进行检测，，对隧道净空空状况采用激激光断面仪（（BJSD-2型）方法进行行检测。利用专用处理理软件（软件件界面见图4-25）对实测数据据进行分析处处理，得出隧隧道横断面数数据（详见图图4-23）。同时，以以设计断面为为标准曲线，，通过与实测测断面轮廓数数据的比较，，确定隧道衬衬砌净空断面面是否满足设设计要求（见见图4-26）。图4-25BJSD-2型隧道限界检检测仪专用软件界面面图4-26二衬后断面检检测结果图（2）锚杆质量锚杆是将破碎碎或不稳定岩岩体(块)与牢固稳定的的岩体连结在在一起以提高高整体稳定性性的一种支护护措施。当锚锚杆发挥作用用时，锚杆不不同部段的功功能各不相同同。锚杆内端端处于牢固稳稳定岩体的部部段，其锚固固力主要起着着固定锚杆的的作用；而锚锚杆外端处于于破碎或不稳稳定岩体的部部段，其锚固固力主要起着着将该段岩体体(块)与锚杆连结在在一起的作用用（见图4-27）。要让锚杆杆能发挥设计计的效果，除除保证锚杆的的长度满足设设计要求外，，还要使各段段都能均匀而而有效地与岩岩体锚固在一一起。除此之之外，对锚杆杆质量影响较较大的因素还还有砂浆的强强度，得有足足够的裹握力力才能保证锚锚杆的质量。。距岩面距离(m)x轴力(kN)P图4-27理想锚杆受力力示意图锚杆长度及注注浆饱和度均均采用应力反反射波法检测测，现已有专专用的锚杆质质量检测仪，，见图4-28。图4-28JL－MG锚杆质量检测测仪②锚杆长度应力反射波法法是一种无损损检测方法，，该方法的基基本理论依据据为一维杆件件的弹性应力力波反射理论论。在锚杆顶顶部激发弹性性应力波，当当弹性应力波波传播到锚杆杆底部时由于于锚杆和锚杆杆底部的岩石石存在波阻抗抗差异，将产产生反射波回回到锚杆顶。。根据反射波波的走时和锚锚杆中的应力力波传播速度度就可以用(3)式求出锚杆长长度L，锚杆中的的应力波传播播速度可在现现场已知长度度的锚杆上进进行标定。③注浆饱和度度注浆饱和度检检测通过测定定锚杆不同方方位，不同距距离应力波的的阻尼情况，，即锚杆与围围岩的耦合情情况来判断注注浆饱和度。。由应力波在在介质中的传传播特性可知知：应力波在在坚硬完整的的介质中传播播速度大，衰衰减速度快，，而在松散及及不完整介质质中应力波的的传播速度小小，衰减速度度慢。利用应力波这这一传播特性性来判断注浆浆饱和度情况况，对于注浆浆饱满的，砂砂浆和岩石的的耦合性好，，可看成完整整的介质，因因此应力波的的波形规则衰衰减快，近于于指数衰减；；对于注浆饱饱满程度差的的则砂浆和岩岩石间的耦合合性差，可可看成松散不不完整的介质质，应力波的的波形杂乱、、衰减慢。根根据不同方向向、不同部位位击震的应力力波衰减曲线线就可以对注注浆饱和度作作出判断。(a)全长树脂锚杆杆锚固段长度度为0.77m实测波形图图(b)树脂端锚锚锚杆的实测测波形图图12-34锚杆长度及及注浆饱和和度检测波波形图④砂浆强度度在砂浆锚杆杆的长度及及灌浆饱和和度均达到到要求后，，并不能说说明锚杆的的质量完全全达到了要要求。从锚锚杆的支护护性能可知知，它是受受砂浆的裹裹握并通过过砂浆与围围岩这间发发生作用的的，若砂浆浆的强度达达不到要求求。为了全全面评价锚锚杆的质量量，有必要要对砂浆（（抗压、抗抗剪）强度度进行检测测。A、抗压强度度采用传统的的试验方法法，在施作作锚杆时同同期制作试试件，对试试件进行抗抗压试验，，得出砂浆浆的抗压强强度。B、剪切强度度由锚杆的支支护机理可可知，在联联结锚杆与与岩体中砂砂浆主要受受剪力的作作用。从而而，砂浆的的剪切直接接影响到锚锚杆的质量量。由于围岩存存在差异，，在不同的的联结体上上，砂浆与与围岩间的的剪切力有有所不同。。为了真实实反映锚杆杆实际工作作时砂浆与与围岩（锚锚杆洞壁））间的剪切切力，可进进行原位试试验。将施施作好的锚锚杆与周围围的围岩一一同取出，，采用特制制的试验设设备对其进进行抗剪试试验，得出出砂浆与围围岩间的剪剪切力，并并对其进行行评价。⑤锚杆抗拔拔试验锚杆抗拔力力通过拉拔拔试验进行行检测。拉拉拔试验检检测方法是是一种传统统的锚杆锚锚固质量检检测方法。。进行拉拔拔试验时,将液压千斤斤顶放在托托板和螺母母之间,拧紧螺母,施加一定的的预应力,然后用手动动液压泵加加压,同时记录液液压表和位位移计上的的对应读数数,当压力或者者位移读数数达到预定定值时,或者当压力力计读数下下降而位移移计读数迅迅速增大时时,停止加压。。测试后,整理出锚杆杆的位移-荷载曲线,进而分析出出试验锚杆杆的抗拔力力大小。试试验时锚杆杆的受力状状态见图12-35。距岩面距离(m)x轴力(kN)P图12-35抗拔试验时时锚杆的受受力示意图图⑥锚杆检测测结果评定定试验证明：：对于高强强螺纹锚杆杆，当锚固固长度达到到锚杆直径径的42倍时，握裹裹力不再随随锚杆长度度的增加而而增加。高速铁路隧隧道锚杆的的长与直径径比达到几几百倍，而而且从图1、2可知，锚杆杆拔抗试验验与实际锚锚杆的受力力状态有很很大不同，，得出锚杆杆抗拔力与与锚杆质量量没有必然然的相关性性，若仅采采用抗拔试试验，可能能导致将不不合格锚杆杆依其抗拔拔力评定成成合格锚杆杆。所以，，对锚杆进进行检测时时，要采用用声频应力力波法对锚锚杆的锚固固质量进行行无损检测测，再配合合抗拔力试试验进行综综合分析，，可对锚杆杆的锚固质质量作出较较全面的评评价。4喷混凝土质质量检测喷射混凝土土能及时封封闭围岩暴暴露面，有有效地隔绝绝水和空气气；部分混混凝土浆液液渗入张开开的裂隙或或节理中起起胶结和加加固围岩的的作用；能能向围岩提提供支护抗抗力(径向力)，使围岩由由二向受力力变为三向向受力状态态，从而提提高了围岩岩强度。评价喷混凝凝土的质量量，主要是是指标：喷喷混凝土强强度（包括括早期强度度和晚期强强度）、厚厚度、密实实度及背后后缺陷。喷射混凝土土强度在一一定范围内内离散分布布，正常情情况其分布布规律符合合正态分布布曲线，喷喷射混凝土土强度检验验准则是根根据平均强强度和变异异系数综合合控制。因因此对喷射射混凝土的的质量控制制不但要控控制平均强强度，同时时还必须控控制变异系系数。由于于湿喷工艺艺能够对水水灰比进行行准确控制制，因此强强度变异系系数小，喷喷层结构可可靠性高。。而干喷工工艺据欧洲洲规范（EFNARC）7.3表述：“对对于干喷工工艺难于预预设水灰比比。实际水水灰比一般般在0.35~0.5的范围内波波动。经估估算，相应应强度波动动可达15MPa以上”。根根据中铁西西南院大量量试验数据据表明：湿湿喷混凝土土强度变异异系数可控控制在10%左右，达到到国标优质质标准。混凝土强度度分布规律律①喷混凝土土强度根据喷混凝凝土强度表表面特征，，宜采用气气压射钉枪枪（见图4-30、31）无损检测测方法进行行检测。气气压射钉枪枪检测喷混混凝土强度度是在恒定定空气压力力下将经过过特殊标定定的射钉打打入喷混凝凝土内，由由其射入深深度推算其其强度(深度与强度度的关系由由实验标定定)。图4-30气压射钉枪枪图4-31气压射钉枪枪强度测试试系统②喷混凝土土厚度、密密实度及背背后缺陷喷混凝土厚厚度、密实实度及背后后衬砌缺陷陷均可采用用地质雷达达（见图4-34、35）进行检测测。根据喷喷混凝土厚厚度，采用用地质雷达达对喷混凝凝土进行检检测前要解解决的问题题：天线频频率的选择择、雷达波波在喷混凝凝土中的波波速标定。。根据喷混混凝土厚度度，选用1000MHz或更大频率率的天线可可以得到效效果较好的的检测结果果；对于波波速标定，，采用激光光断面仪通通过断面检检测得出喷喷混凝土厚厚度来得到到。图4-34图4-35喷混凝土强强度与射钉钉贯入深度度的关系曲曲线强度差值d频数直方图图5格栅或型钢钢拱架数量量检测在隧道中所所使用格栅栅或型钢拱拱架数量，，也是隧道道初期支护护质量控制制中所关心心的问题。。喷混凝土土中存在格格栅或型钢钢拱架支撑撑时，地质质雷达剖面面图中信号号会有变化化，可通过过这些信号号的变化读读出隧道施施工时所使使用的格栅栅或型钢拱拱架支撑数数量。钢材材质量（包包括锚杆））及加工质质量可于施施作前抽检检来进行控控制。呈倒W形的格栅拱架格栅拱架检检测图型钢拱架检检测图（6）二次衬砌砌检测①二次衬砌砌混凝土强强度检测对二次衬砌砌混凝土强强度检测采采用超声回回弹综合法法结合少量量的钻芯取取样进行检检测。A、超声回弹弹检测图4-38αα-5000型混凝土数数显回弹仪仪图4-39乐陵机械回回弹仪图4-40NM—4A型超声波检检测仪图4-41瑞士产TICO型超声波检检测仪B、钻取芯样样检测钻芯取样为为局部检测测，主要用用于修正超超声回弹所所得混凝土土的强度。。芯样钻取取位置必须须在超声回回弹检测的的内，在现现场采用钻钻机（如：：ZKJ—200型金刚石钻钻机，见图图4-42）钻取芯样样（芯样直直径：φ100或φ150）后，在室室内进行芯芯样试件制制作并养护护后采用压压力试验机机（NYL—60型，见图4-43）对芯样试试件进行抗抗压强度试试验，得出出衬砌混凝凝土芯样强强度值。图4-42图4-43②二次衬砌砌混凝土厚厚度、背后后空洞及围围岩状况检检测对隧道二次次衬砌混凝凝土厚度、、背后空洞洞及衬砌背背后围岩状状况等检测测，采用地地质雷达方方法进行。。测线布置位位置为：拱拱顶、左右右边墙、左左右拱脚共共五条测线线（见图4-44、45）。由于高高频天线检检测精度较较高，但测测量范围较较小；天线线检测精度度较低，但但测量范围围较大。对对二次衬砌砌厚度、背背后空洞及及衬砌背后后围岩状况况的检测，，由二次衬衬砌混凝土土厚度决定定，选用500MHz的雷达天线线，在现场场利用工程程检测车以以小于5km/h的速速度度对对隧隧道道二二次次衬衬砌砌进进行行检检测测（（见见图图4-46）。。图4-44图4-45图4-46层位位追追踪踪示示意意图图层位位追追踪踪结结果果图图衬砌砌背背后后的的不不密密实实衬砌砌背背后后的的