鉆芯法與回彈法在隧道襯砌強度檢測中的應用分析

張 智

(中國鐵路總公司工程質量安全監督總站，北京 100038)

混凝土是隧道工程建設使用最為廣泛的建筑材料，混凝土質量的優劣影響到隧道襯砌結構的適用性、安全性和耐久性，并直接制約著隧道工程經濟和社會效益的發揮。混凝土襯砌質量的檢控中，保證強度是基本要求。混凝土實體結構強度檢測分為同條件養護預留試件檢驗、無損檢測和微破損檢測，其中常見的無損檢測和微破損檢測方法有鉆芯法、回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法、后裝拔出法。鉆芯法、回彈法應用最為廣泛，常用于隧道襯砌混凝土強度檢測。

本文對目前在隧道襯砌混凝土強度檢測中常用的鉆芯法與回彈法的技術要點及檢測影響因素進行分析，并結合工程實例對兩種檢測方法的數據進行對比，分析其相關性及工程應用的適用性，為工程應用提供借鑒。

1 鉆芯法與回彈法檢測方法

1.1 方法簡介

1)回彈法是基于混凝土的抗壓強度與其表面硬度之間存在的相關關系。當回彈儀的彈擊錘以一定的彈力打擊在混凝土表面上，其回彈值與混凝土表面硬度呈一定的比例關系，根據表面硬度可推求混凝土的抗壓強度。回彈法檢測混凝土強度具有設備簡單、操作方便、檢測迅速，且混凝土不會破損等優點，適合用作混凝土強度普查。該方法影響因素較多，容易產生較大誤差，應掌握正確的使用方法，注意回彈儀的保養和維護，以減少測量誤差。

2)鉆芯法是利用專用鉆機直接從結構上鉆取圓柱體混凝土芯樣，并根據芯樣的抗壓強度評定結構混凝土質量的一種直觀、可靠、準確的微破損檢測方法，可作為混凝土質量抽查及無損檢測結果驗證。鉆芯法直接在混凝土實體上鉆取樣品進行抗壓試驗，會對混凝土構件造成一定破壞，不適于用作混凝土強度普查。

1.2 兩種檢測方法的互補性

鉆芯法具有直觀、準確等特點，常被用于無損檢測結果的對比驗證、爭議處理與仲裁、質量問題調查。但因其屬于局部破損檢測，一般不宜大量取芯，也不宜采用鉆芯法按批檢測與評定。此外，同一結構構件雖然強度等級相同，但是實際強度并非恒定值，不同部位的強度亦有一定的離散性，因此，用局部的小孔芯樣反映整個構件的混凝土強度，尚存在隨機性。

回彈法具有檢測速度快、費用低、測區多、檢測全面等特點，在工程中被廣泛應用，近年來被應用于隧道襯砌強度檢驗與普查，但該方法影響測試結果的因素多，檢測誤差大，其準確度有時難以保證。

為充分利用回彈法與鉆芯法的優點，取長補短，科學、合理、有效評價隧道襯砌混凝土強度，應采用回彈法與鉆芯法相結合的綜合檢測方法。同時，研究兩者的相關關系，避免盲目應用，提高檢測精度，保證隧道運營安全。

2 提高檢測精度的措施

2.1 回彈法

1)回彈儀的工作狀態。須滿足鋼砧率定值80±2，維護保養應及時，數顯回彈儀的示值須一致，這些是根本保障，容易被忽略。

2)測區的布置。對于隧道襯砌施工在混凝土表面形成浮漿過厚、粗糙、局部不密實的現象，若不能合理避開，必然會產生內外質量差異大的現象，回彈不能準確反映混凝土內部強度。

3)檢測面的選擇。若非對質量有懷疑或爭議，檢測部位應盡量布置于豎直邊墻處，方便操作且回彈數據不需要角度修正，準確度高。

4)表面狀態記錄。要詳盡、準確，清楚記錄測試部位的表面潮濕程度，一般情況下在建隧道襯砌常會出現表面泛潮甚至表面泛水，會影響測試結果，導致測試回彈值偏低、數據離散。

5)測區表面清理。隧道襯砌施工后，通常由于開挖、掘進、出渣、初支混凝土噴射，粉塵較大、表面積灰較厚，若不能清理干凈必然會影響測試結果。同時應避免過度清理，有些檢測人員為防止表面積灰及表面浮漿對測試結果產生影響，采用磨光機磨出深約3～5 mm深的測試面，然而測試結果并不理想，其回彈推定強度偏低，而實際上鉆芯取樣強度合格，分析其原因，可能是打磨過深時導致表面不平整，從而使回彈儀探桿不能充分接觸混凝土面，測試回彈值偏低。可見表面清理要合理、適度，以干凈、平整為宜。

6)測試操作的規范性。應嚴格按照規范操作要求，垂直接觸后靜壓，避免在測區內小范圍或一個點附近反復彈擊，防止傾斜沖擊等現象。

7)碳化深度測量。影響碳化深度測試結果準確度的因素較多，微小局部不密實處混凝土與空氣中二氧化碳接觸面較大較深，其碳化較深，混凝土致密處碳化較淺，因此碳化深度測試部位的選擇要有代表性，碳化深度測試要規范。

2.2 鉆芯法

1)芯樣鉆取及運輸。鉆芯、運輸過程中，如果操作不當，也會引起強度折減，應引起充分重視，盡量避免。在鉆芯取樣過程中，鉆芯機應具有足夠的剛度、操作靈活、固定和移動方便，并應有水冷卻系統。鉆頭應無缺損，避免鉆取過程中鉆機顫抖及卡鉆，造成芯樣圓柱面出現波紋狀或混凝土微損傷，避開鋼筋特別是主鋼筋。芯樣運輸前應進行包裝固定，避免局部懸空、碰撞，搬運時輕拿輕放，避免磕碰受損。

2)芯樣加工和試驗。加工過程中應剔除有缺陷的、尺寸偏差不符合要求及內含鋼筋不符合要求的試件。芯樣切割端面應平整，與芯樣軸向要垂直。嚴格按照規范進行端面磨平或補平，芯樣高徑比盡量為1或略大。芯樣在抗壓試驗過程中，嚴格控制試驗機的加載速度，避免沖擊式加載。

3)濕度條件的控制。隧道在建設過程中尤其是斜井通風條件不暢時，水汽較大，混凝土表面潮濕。一般在隧道貫通后正常運營過程中表面處于干燥狀態，故在抗壓強度試驗時宜按干燥條件考慮。

3 隧道襯砌強度檢測的要點

3.1 構件選取

與房屋建筑、橋梁結構物不同，隧道襯砌具有整體連續性。一般情況下，每板混凝土具備相同齡期及設計參數，因此可將每一板混凝土襯砌作為一個獨立構件進行評定。隧道施工安全要求隧道開挖后立即進行初期支護及襯砌施工。隧道圍巖變化較大，使得每板混凝土之間設計參數、齡期不同，因此，隧道襯砌實體混凝土強度檢測一般不具備批次檢測與評定條件，通常以一板混凝土作為一個構件進行強度檢測。

對于隧道襯砌混凝土強度抽檢與驗收評定，一般情況下隧道襯砌混凝土齡期宜＞56 d，冬季施工時，應滿足1 200℃·d的要求，隨機抽取構件或對質量可能存在問題的構件進行檢測。

3.2 檢測部位

考慮到鉆孔后的修補問題，以及列車運營安全，一般情況下檢測部位宜選擇在左右邊墻部位，鉆芯取樣前宜采用鋼筋掃描設備進行定位以避開鋼筋。

3.3 檢測數量

鉆芯法屬于微破損檢測，通常用于無損檢測結果驗證及隧道混凝土強度監督抽查，鉆芯量不宜太大。一般情況下，每個構件(每板襯砌混凝土)鉆取1組3個芯樣，進行抗壓強度試驗。回彈法每個構件布置不少于10個測區，測區在兩側邊墻上均勻布置。

4 工程實例分析

針對某工程隧道的襯砌混凝土強度進行鉆芯法與回彈法對比試驗，共選取10座隧道，屬于在建隧道，均未貫通，大部分構件齡期為60～180 d，混凝土表面碳化程度較輕，碳化深度0～1 mm。共對37板襯砌進行對比試驗，其中29板混凝土表面狀態為干燥，8板混凝土表面狀態為潮濕。每板襯砌(每個構件)回彈10個測區，測區尺寸200 mm×200 mm，每個測區布置16個測點，測區大致等間距布置于隧道邊墻，每板混凝土鉆取1組3個試件，芯樣直徑100 mm，鉆芯孔位于回彈測區內，先進行回彈測試后進行鉆芯取樣，回彈強度采用統一測強曲線進行計算。為研究鉆芯法與回彈法結果的相關性及回彈法在隧道襯砌檢測的適用性，本文將干燥與潮濕構件的測試數據分別統計，并繪制鉆芯強度與回彈強度關系曲線，見圖1。

圖1 混凝土芯樣強度與回彈強度的關系

圖1(a)中，29板干燥混凝土襯砌回彈強度與鉆芯強度相關系數R為0.76，回彈強度隨鉆芯強度的增長而增長，二者有較好的相關性。圖1(b)中8板潮濕混凝土的回彈強度與鉆芯強度沒有明顯相關性，其線性趨近線表現為回彈強度隨芯樣強度的增加而減少，顯然是不合理的。對37板混凝土襯砌的回彈數據進行分析，當混凝土表面潮濕時，8板混凝土中有6板混凝土回彈測試的強度標準差δ＞5 MPa，占75%，而29板干燥構件δ＞5 MPa的只有2組，僅占6.9%。可見，對于潮濕隧道襯砌，采用回彈法檢測混凝土強度時，離散性大，與鉆芯芯樣強度的相關性差，不宜采用回彈法進行隧道襯砌混凝土的強度評定。

為便于分析，當回彈或鉆芯強度推定值低于該構件設計強度標準值時視為不合格。回彈法采用統一測強曲線并按照文獻［1］的規定進行強度推定，鉆芯法取構件3個芯樣強度的最小值作為構件強度推定值。29板混凝土中，回彈強度不合格的有10板混凝土，其中9板混凝土鉆芯結果亦不合格，占回彈不合格總數的90%。鉆芯結果合格的1板混凝土設計強度等級C35，回彈強度 29.2 MPa，鉆芯強度值35.9 MPa，略高于設計值。由此可見，對于碳化深度較淺、齡期較短的干燥混凝土襯砌，采用回彈法檢測時與鉆芯法檢測的結果一致性較好。

本次對比試驗中，回彈強度標準差δ＞5 MPa的全部8板隧道襯砌中，有6板回彈推定強度不合格，但采用鉆芯對比驗證僅有2板強度不合格。可見，當回彈測試結果離散時，其強度標準差δ偏大，若δ＞5 MPa時，構件回彈推定強度易出現不合格現象，應分析原因并輔以適當驗證，以免造成誤判。

5 結論與建議

本文簡要闡述了鉆芯法與回彈法的特點、影響測試精度的因素，以及隧道襯砌強度檢測的技術要點，并結合某工程10座隧道的鉆芯法與回彈檢測數據進行對比分析，結果表明:

1)對于潮濕混凝土襯砌，當采用回彈法檢測時，檢測數據離散，與鉆芯結果一致性差，應采用鉆芯法或其他方法進行檢測。

2)對于碳化深度較淺的干燥混凝土襯砌，采用回彈法檢測時，回彈強度與芯樣強度相關性較好，回彈推定結果與鉆芯法一致性較好，適合于隧道襯砌檢測。當對回彈結果有懷疑時，宜采用鉆芯法對比驗證。

3)采用回彈法進行隧道襯砌強度檢測，當回彈強度標準差＞5 MPa時，易出現回彈不合格現象，應綜合分析，適當驗證，減少誤判。

4)采用鉆芯法與回彈法相結合檢測襯砌混凝土強度時，應嚴格按照規范要求進行儀器保養、檢定，并嚴格控制不同方法的應用條件，規范檢測程序，減少檢測誤差，提高精度和可靠性。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10426—2004 鐵路工程結構混凝土強度檢測規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］中國工程建設標準化協會.CECS03:2007 鉆芯法檢測混凝土強度技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ/T 23—2011 回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［4］胡在良，李晉平，張佰戰.混凝土強度鉆芯法檢測與評定的若干問題分析［J］.鐵道建筑，2012(11):131-134.

［5］鄧濤，楊林德，李雷.公路隧道混凝土襯砌強度的無損檢測方法研究［J］.河北建筑科技學院學報，2004(3):70-73.