張花高速襯砌混凝土質量檢測技術及錨桿檢測技術的探討

王木群

(中南大學,湖南長沙 410075)

1 隧道傳統檢測及無損檢測概述

山嶺隧道質量檢測傳統方法是對隧道斷面上進行抽樣,選取檢測測點(或者測線),采用鉆孔或開槽的方法,觀測襯砌施工的質量。由于其對檢測測點處的襯砌厚度、襯砌強度、襯砌中的缺陷以及襯砌后脫空的判斷直觀且準確無誤,在隧道襯砌質量檢測中得到了長期的應用。但由于這種檢測方法速度較慢,效率較低,會對隧道結構造成損傷,甚至使隧道的防水系統遭到破壞,造成嚴重后果。另外,大量抽樣對結構受力不利,少量抽樣代表性差,檢測結果往往不能反映隧道整體質量情況,難以做出全面而準確的評價。

隧道工程質量的無損檢測技術是指在不影響結構或構件性能的前提下,通過測定某些適當的物理量來判斷結構或構件某些性能的檢測方法。無損檢測技術有著比常規檢測方法更為突出的無破壞性、隨機性、遠距離探測、現場檢測等特點,而且檢測數據可連續采集,并通過數理分析和邏輯判斷,能夠比較準確地推斷出工程質量的狀況,從而彌補以往質量控制中的觀感檢查和僅靠外型質量控制來推斷工程質量的不足。常用的無損檢測方法包括聲波反射法、沖擊回波法、超聲—回彈綜合法、瞬變電磁法和多頻電磁法等。此外,還有紅外線溫度記錄法、機械振動法、射線技術法等。

2 隧道混凝土襯砌的檢測

襯砌工程檢測部位主要是拱頂、左右拱腰、左右拱腳和左右邊墻,主要內容為襯砌混凝土強度等級,襯砌混凝土厚度以及內部裂隙、空洞和背后回填密實程度。

2.1 地質雷達法檢測襯砌混凝土厚度與內部質量

2.1.1 探地雷達法原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)是一種新型的無損檢測儀器,是一種利用高頻電磁波探測結構工程質量的無損檢測方法。該方法利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式,通過發射天線定向送入探測體,經過存在電性差異的介質反射后返回,被接收天線接收。接收天線在接收到回波后,直接傳輸到接收機,信號在接收機經過整形和放大等處理后,經電纜傳輸到雷達主機,經處理后,傳輸到微機。在微機中對信號依照幅度大小進行編碼,并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來,經濾波等數字處理后,可用來判斷探測體的深度、大小和方位等特性參數。

2.1.2 襯砌混凝土厚度的檢測

探地雷達系統檢測襯砌厚度原理如圖1所示。圖1描述了探地雷達系統的工作方式,并給出了電磁波反射工作圖示,用來說明襯砌厚度的檢測原理。

發射天線T發射電磁波經反射被接收天線E接收,通過雷達反射圖像的分析確定反射層,來測定反射波的雙程走時t,從而確定襯砌圍巖界面距離襯砌表面的距離即襯砌厚度。根據原理圖1可得脈沖波旅行時間與襯砌厚度的關系式為:

圖1 探地雷達系統檢測襯砌厚度原理示意

式中:z為反射層厚度即襯砌厚度;x為收發距即接收與發射天線中心的距離,是與天線有關的定值;v為電磁波在介質中的傳播速度;c為電磁波在空氣中的傳播速度;ε為介電常數。

常用的介電常數見表1。

表1 不同物體的介電常數表GHz

當電磁波在地下介質中的波速為已知時,可以根據精確測得的雙程走時,由下式求得襯砌的厚度為:

2.1.3 襯砌混凝土質量的檢測

襯砌混凝土質量檢測原理如圖2。

圖2 襯砌混凝土質量檢測原理示意

1)襯砌混凝土與圍巖結合的判識。由于襯砌混凝土與圍巖之間的介電常數差異較小,如果結合狀態較好、無空隙,則地質雷達圖像上不會有特別明顯的反射信號,在圖像中表現為振幅較弱的界面反射信號,甚至沒有反射信號。

2)襯砌混凝土內空洞的判識。由于空氣與混凝土的介電常數差異較大,如果有明顯的空洞,則在地質雷達圖像中表現為襯砌界面反射信號增強,特征明顯。

3)襯砌混凝土背后回填不密實的判識。襯砌混凝土背后回填不密實是介于回填密實與存在空隙之間的一種情況,在地質雷達圖像上表現為襯砌混凝土界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形,且不連續、無規則、較分散,說明襯砌混凝土背后局部存在空隙或空洞。

2.2 工程實例

2.2.1 舒家灣隧道初期支護空洞檢測

舒家灣隧道初期支護質量的雷達檢測中,主要的質量問題就是存在空洞。圖3就是從右洞Zk18+846～Zk18+879段雷達檢測圖像中截取的存在異常波形的圖像片段。

圖3 初期支護空洞圖

結合地質資料分析截取的雷達圖像片段可知,由于該段圍巖破碎,且用探地雷達作初期支護檢測時,受到的影響因素很多,所以出現很多回波,這些回波都被天線接受,處理后繪制出的圖像比較雜亂。經過仔細分析后,認為圖中不規則曲線包圍起來的部分的雷達圖像是由電磁波在一種介質中連續波動形成的,故判斷此處存在空洞。經打孔驗證,此處確實存在空洞。

2.2.2 青坪隧道二次襯砌脫空檢測

在隧道的拱頂、拱腰和拱腳部位,由于重力作用和混凝土的塌落、干縮,混凝土容易在一次襯砌和圍巖之間或一次襯砌與二襯之間產生空隙,甚至形成脫空現象。如果大面積的空隙存在,就成了空洞,在雷達圖像上表現為很強的反射信號。在進行二次襯砌質量檢測時,由于探地雷達受到的環境干擾較小,空洞的雷這圖像一般較清晰,較容易判斷出空洞位置所在。如圖4所示,圖像中雜亂曲線包圍的地方存在空洞。

經打孔驗證,此處有一最大深度約0.6 m,范圍約3m的大空洞。此處必須進行處理,否則會給隧道運營帶來不安全隱患。

圖4 二次襯砌脫空圖

圖5 錨桿聲波測試系統布置圖

3 錨桿的檢測

錨桿是將破碎或不穩定巖體(塊)與牢固穩定的巖體連接在一起以提高整體穩定性的一種支護措施。當錨桿發揮作用時,錨桿不同部段的功能各不相同。錨桿內端處于牢固穩定巖體的部段,其錨固力主要起著固定錨桿的作用;而錨桿外端處于破碎或不穩定巖體的部段,其錨固力主要起著將該段巖體(塊)與錨桿連接在一起的作用。要讓錨桿能發揮設計的效果,除保證錨桿的長度滿足設計要求外,還要使各段都能均勻而有效地與巖體錨固在一起。

3.1 錨桿長度及注漿飽和度檢測

錨桿長度及注漿飽和度均采用應力反射波法檢測,檢測原理如圖5所示。

1)錨桿長度檢測。應力反射波法是一種無損檢測方法,該方法的基本理論依據為一維桿件的彈性應力波反射理論。在錨桿頂部激發彈性應力波,當彈性應力波傳播到錨桿底部時,由于錨桿和錨桿底部的巖石存在波阻抗差異,將產生反射波回到錨桿頂。

式中:vc為錨桿中應力波傳播速度;t為應力反射波的雙程走時。

根據反射波的走時和錨桿中的應力波傳播速度就可以用公式(4)求出錨桿長度L,錨桿中的應力波傳播速度可在現場已知長度的錨桿上進行標定。

2)注漿飽和度檢測。注漿飽和度檢測通過測定錨桿不同方位,不同距離應力波的阻尼情況,即錨桿與圍巖的耦合情況來判斷注漿飽和度。由應力波在介質中的傳播特性可知:應力波在堅硬完整的介質中傳播速度大,衰減速度快,而在松散及不完整介質中應力波的傳播速度小,衰減速度慢。

利用應力波這一傳播特性來判斷注漿飽和度情況,注漿飽滿的,砂漿和巖石的耦合性好,可看成完整的介質,因此應力波的波形規則衰減快,近于指數衰減;注漿飽滿程度差的,則砂漿和巖石間的耦合性差,可看成松散不完整的介質,應力波的波形雜亂,衰減慢。根據不同方向、不同部位擊震的應力波衰減曲線,就可以對注漿飽和度作出判斷,如表2所示。

3)錨桿拉拔力檢測。

錨桿拉拔力檢測如圖6所示。

表2 錨固狀態表

錨桿抗拔力通過拉拔試驗進行檢測。拉拔試驗檢測方法是一種傳統的錨桿錨固質量檢測方法。進行拉拔試驗時,將液壓千斤頂放在托板和螺母之間,擰緊螺母,施加一定的預應力,然后用手動液壓泵加壓,同時記錄液壓表和位移計上的對應讀數,當壓力或者位移讀數達到預定值,或者當壓力計讀數下降而位移計衰讀數迅速增大時,停止加壓。測試后,整理出錨桿的位移—荷載曲線,進而分析出試驗錨桿的抗拔力大小。

3.2 工程實例

以科洞隧道錨桿長度檢測及錨桿效果檢測為例。

1)自由狀態的錨桿。對一根錨桿在未知長度情況下進行測試,所測波形如圖7。從圖中可看出波形衰減程度很小,多次錨桿底端反射十分明顯。測試長度為3.90 m,和錨桿實際長度3.87m相差甚小,這證明了該方法測試錨桿長度的可靠性。

圖6 錨桿抗拔力測試圖

圖7 自由錨桿的時域波形

2)錨固質量優的錨桿。圖8是科洞隧道左墻離地4.0m高處錨桿所測波形,設計是2.50m,測得2.58m。從圖中可以看出波在錨固質量優的錨固系統中衰減較快,且錨桿底端反射微弱,波形最后回歸基線,說明注漿效果較好。經現場拉拔試驗驗證,實際長度是2.53 m,抗拔力為40MPa,證明該錨固系統質量為優。

圖8 錨固質量優的錨桿的時域波形

3)錨固質量差的錨桿。圖9是科洞隧道右墻離地3.5m高處錨桿所測波形,設計是2.50m,測得2.45 m。從圖中可以看出,波在錨固質量差的錨固系統中衰減較慢,錨桿底端反射十分明顯,波形變化規律和自由錨桿相似。經現場拉拔試驗驗證,抗拔力僅10 MPa,實際長度足2.47 m,最大誤差為0.02 m,綜合判定該系統錨固質量較差。

4 結論及建議

采用地質雷達無損檢測方法,可快速有效地檢測高速公路隧道噴混凝土厚度、密實度及背后的缺陷。采用超聲波反射法,可以檢測出錨桿的長度及注漿飽和度。用地質雷達、超聲波等無損檢測,其結果往往受儀器、技術、隧道襯砌和圍巖狀況本身的影響,實際工作中一般需要布置一定量的測點進行鉆孔取芯,對無損檢測結果加以驗證。

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