鐵路隧道襯砌質量綜合檢測與安全性評定實例

郭得令

(中鐵濟南工程技術有限公司，山東濟南　250022)

隧道為隱蔽性工程，如果施工管理不到位，容易產生襯砌混凝土厚度不足、襯砌與圍巖不密貼、混凝土不密實等質量通病[1]。峰福線某段鐵路運營長度251.713 km，沿線隧道混凝土襯砌大都有不同程度的滲漏水和裂損病害現象，影響行車安全，制約著鐵路電氣化改造。在病害調查的基礎上，采用綜合檢測方法，對沿線59座隧道的襯砌厚度、背后空洞規模和范圍、襯砌密實情況以及襯砌混凝土強度進行全面檢測，并對各隧道襯砌進行安全等級評定。

1　檢測方法介紹

本工程中，采用地質雷達法對隧道襯砌的厚度、襯砌內部及背后缺陷進行探測[2]，采用超聲回彈綜合法結合鉆芯法對襯砌混凝土強度進行檢測。

地質雷達以其高分辨率、無損性、高效率和強抗干擾能力等優點，已成為隧道工程無損檢測的一個主要手段[3]。地質雷達依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖在介質中的傳播路徑——波形隨所通過介質的介電性質、幾何形態而變化，根據接收到反射波的旅行時間、幅值、頻率、波形變化資料，可推斷隧道襯砌的內部結構和幾何形態。在隧道襯砌結構混凝土中，空洞、裂縫、鋼筋、素混凝土、圍巖介電常數有明顯的差異，它們之間能形成良好的電磁波反射界面，滿足地質雷達檢測的地球物理條件。本次地質雷達檢測，采用美國SIR-3000型地質雷達及400 MHz屏蔽天線和瑞典RAMAC型地質雷達及500 MHz屏蔽天線兩套設備，分別在邊墻、拱腰和拱頂位置，沿縱向布置5條測線，在每條測線上進行連續檢測。

聲波法是由發射換能器向介質中發射一定頻率的高頻聲波或超聲波，當聲波到達接收換能器時被其接收，并將波形及到達時間顯示在聲波儀上。聲波在介質中的傳播時間、頻率的變化和波幅的衰減，與介質的強度、密實度及內部結構有著十分密切的關系。當隧道襯砌混凝土密實度越大、強度越高時，聲波傳播速度越快，利用聲波可間接反映隧道襯砌強度?；炷粱貜梼x是用一彈簧驅動彈擊錘并通過彈擊桿彈擊混凝土表面產生瞬時彈性變形恢復力，使彈擊錘帶動指針彈回并指示出彈回的距離，以回彈值作為混凝土抗壓強度相關的指標之一，來推定混凝土的抗壓強度。超聲回彈綜合法綜合了聲波法和回彈法的優點，根據在同一測區測得的聲時及回彈值，利用測強公式，推算混凝土強度值[4]，可同時反映混凝土表面硬度、內部密實度和勻質性[5]。采用RSM-SY5型智能聲波檢測儀進行表面直達波超聲測試，以回彈測試測區為中心，安裝發射換能器和接收傳感器?；貜棞y試采用ZC3-A型混凝土回彈儀。聲波回彈綜合法測區沿隧道全長在兩側邊墻等間距布置，間距為20 m，并保證每個隧道測區數不少于10個。

鉆芯法是利用專用鉆機和空心薄壁鉆頭，從結構混凝土中鉆取芯樣以檢測混凝土強度和檢查混凝土內部缺陷[4]，是一種直觀、可靠和準確的方法，但由于檢測對結構混凝土會造成局部損傷，大量采用受到限制。本工程中僅選擇具有代表性地段鉆取芯樣，利用芯樣抗壓強度試驗結果驗證超聲回彈綜合法確定的混凝土強度值。

2　檢測結果

病害調查發現，大部分隧道混凝土襯砌均有不同程度的滲漏水、裂損病害現象，部分隧道滲漏水、裂損嚴重，個別隧道襯砌局部存在腐蝕冒漿病害現象。

根據地質雷達檢測結果，大部分隧道襯砌背后及襯砌內部存在不同程度的空洞或不密實缺陷，拱部更為嚴重，其中拱頂襯砌缺陷以空洞和不密實為主，拱腰襯砌缺陷以不密實為主，邊墻襯砌缺陷相對較少，以不密實為主；大部分隧道存在襯砌厚度達不到原設計厚度的情況。根據超聲回彈綜合法及鉆芯法檢測結果，各隧道大都存在不同程度的襯砌混凝土強度弱化現象，個別隧道襯砌混凝土強度明顯不足，襯砌材料劣化現象較重。

3　安全等級評定

3.1　評定方法和步驟

為科學地評價隧道襯砌狀況和提出適當的整治方案，需要對隧道檢測結果進行綜合分析，對隧道病害和缺陷程度進行恰當的量化和分級。

本次檢測工程中，隧道襯砌安全等級的評定按以下方法和步驟進行[6]：

①詳細研究分析所搜集的隧道修建、運營資料，襯砌病害調查與觀測資料，襯砌狀態檢測資料。

②根據隧道襯砌缺陷及病害的分布情況，對照隧道襯砌缺陷及襯砌病害的量化指標，分段評定隧道襯砌缺陷及隧道襯砌病害等級，劃分為輕微(1)、較嚴重(2)、嚴重(3)、極嚴重(4)4級。當同一地段有多項缺陷或病害項目時，按嚴重程度最高的項目判定其等級。隧道襯砌安全等級分段評定時，其每段長度不宜小于隧道內凈空最大寬度，否則，應視為相鄰段病害等級中高等級地段。

③依據分段評定的襯砌病害及襯砌缺陷等級，結合隧道工程地質、水文地質及對行車安全的影響情況，按評定標準(見表1)綜合評定該段隧道襯砌的安全等級，劃分為完好(D)、輕微(C)、較嚴重(B)、嚴重(A1)、極嚴重(AA)五個等級。

④整座隧道襯砌的安全等級，在分段評定的基礎上，按各段中病害最嚴重地段的安全等級確定。

表1　隧道襯砌安全等級評定標準

注：表中當襯砌缺陷等級為注有“*”者的等級時，該段襯砌安全等級應通過綜合判釋確定。

3.2　安全性評定實例

以其中一座隧道為例，評定隧道襯砌的安全等級[7]。

(1)調查和檢測結果

該隧道全長140 m，通過對襯砌表面病害調查發現，該隧道混凝土襯砌局部存在較嚴重或輕微的病害現象，以滲漏水病害為主，右邊墻局部存在腐蝕冒漿的病害現象(見表2)。根據襯砌檢測結果，該隧道拱頂、兩側邊墻和拱腰局部均存在程度不等的襯砌厚度不足的缺陷(見表3)；該隧道襯砌混凝土局部存在較嚴重的強度弱化現象(見表4)；該隧道拱頂較大范圍內存在極嚴重的空洞缺陷，局部存在嚴重的不密實缺陷(見表5)。

(2)襯砌病害量化評定

襯砌病害量化評定見表2。

(3)襯砌缺陷量化評定

表2　襯砌病害評定

襯砌厚度、混凝土強度、襯砌空洞或不密實缺陷量化評定見表3～表6。

表3　襯砌厚度缺陷評定

表4　混凝土強度缺陷評定

表5　襯砌空洞或不密實缺陷評定

表6　隧道襯砌安全等級評定

(4)隧道襯砌安全等級評定

依據分段評定的襯砌病害及襯砌缺陷等級，結合隧道工程地質、水文地質以及對行車安全的影響情況，綜合評定各段隧道襯砌的安全等級，按各段中病害最嚴重地段的安全等級確定整座隧道襯砌的安全等級(見表6)。

4　治理措施意見

根據病害調查和檢測結果，對各病害類型提出了具有針對性的治理措施建議。

對拱部滲水部位處理方式以封堵為主，在引排的基礎上可采用水泥注漿或化學注漿進行充填封堵。邊墻滲水部位可視其水量和集中情況酌情處理，處理方式以引排為主。裂紋、裂縫宜與襯砌滲漏水一起綜合治理。對病害較輕的裂紋可用水泥漿嵌補，或鑿槽后用水泥砂漿或環氧樹脂砂漿涂抹；裂損較重的，可采用素噴或網噴混凝土整治；對裂損嚴重、裂縫集中的，可采用錨網噴或噴射早強鋼纖維混凝土進行整治。對腐蝕冒漿較重部位，在加強腐蝕性水的引排工作前提下，可采取向襯砌背后壓注防蝕漿液的措施進行整治。

空洞部位應進行處理，可實施注漿、回填進行整治。為防止拱頂坍塌，應采取分次壓入、控制注漿壓力、施做臨時支撐等措施。位于拱頂的不密實部位應進行處理，拱腰不密實部位可以結合接觸網懸掛位置進行處理，處理方法可采用注漿法。對不滿足懸掛接觸網要求的，可鑿除欠挖部分圍巖，用同級混凝土回填密實。

對襯砌厚度不滿足懸掛接觸網要求的，宜予以處理，處理措施可采用鑿除欠挖部分圍巖，用同級混凝土回填密實。

結構強度明顯不足、襯砌材料劣化較重地段，可采取鑿除表面劣化混凝土然后掛網錨噴鋼纖維混凝土的措施進行加固。

[1]喻軍，劉松玉，童立元.地質雷達在隧道初襯質量檢測中的應用研究[J].巖土力學，2008，29(增)：303-306

[2]吳波鴻，白雪冰，孔祥春.探地雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用[J].物探與化探，2008，32(2):229-231

[3]李二兵，譚躍虎，段建立.地質雷達在隧道工程檢測中的應用[J].地下空間與工程學報，2006，2(2)：267-270

[4]張科強，楊波.混凝土的無損檢測方法及其新發展[J].混凝土，2007(5):99-101

[5]張競男，王浩，喬建東.超聲-回彈-鉆芯綜合法測強初探[J].材料科學與工程學報，2003，21(6)：886-889

[6]鐵運函[2004]174號鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規定[S]

[7]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.改建鐵路峰福線橫峰至南平南段電氣化改造工程隧道襯砌質量檢測報告[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2008