隧道襯砌強度檢測技術研究

彭 小 慶

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

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隧道襯砌強度檢測技術研究

彭 小 慶

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

介紹了襯砌施工強度檢測技術的發展歷程，分析了超聲回彈綜合法檢測隧道襯砌強度的原理，并闡述了該檢測方法在實際工程中的應用，為隧道襯砌施工強度的檢測與控制提供了依據。

隧道，襯砌施工，強度檢測，超聲回彈綜合法

0 引言

近年來，隨著我國高速公路和鐵路工程的大量建設，隧道工程發展迅速，對隧道的建設和運營質量提出了更高的要求。但由于我國隧道建設起步較晚，經驗欠缺，且隧道技術的難度和要求高，導致隧道在建成運營過程中常出現一些病害問題，比如隧道二次襯砌開裂、滲水、凈空縮小、路面起伏不平等。其中，二次襯砌質量問題對隧道工程的建設及運營質量起著非常重要的作用，在襯砌工程中常出現的問題有襯砌侵限、厚度不夠、強度不足、鋼筋缺失、混凝土蜂窩、背后及內部存在空洞及不密實等。因此，在隧道二次襯砌工程中，迫切需要采取高效的檢測技術對隧道襯砌質量進行檢測，以實現對隧道襯砌質量的有效控制。為全面研究隧道襯砌施工強度檢測技術，本文首先分析隧道襯砌強度檢測技術的發展歷程，然后重點分析目前應用最為先進的技術——超聲回彈綜合法，并在此基礎上，依托四川某隧道工程實例，分析超聲回彈綜合法的應用，為我國隧道襯砌施工強度檢測技術的發展提供參考。

1 襯砌施工強度檢測技術的發展歷程

對于隧道襯砌強度檢測，鉆芯取樣法是一種最直接、穩定、可靠的方法，然而，這種方法存在施工不便、成本較高、導致襯砌局部破損以及影響外觀等缺點，不利于其進行廣泛的推廣應用。常規的預留試塊法也是一種檢測隧道襯砌強度的技術，但由于施工工藝復雜、養護困難，同時受到試件數量和尺寸的限制等原因，極容易影響檢測結果的可靠性，并不能有效的反映隧道襯砌混凝土的強度。

隨著我國檢測技術的發展，回彈檢測法作為一種重要方法，在工程檢測中被大量推廣應用，主要是由于回彈法的試驗檢測費用較低，工藝簡便，且不受構件特征約束。但是，回彈法存在許多的缺點，如檢測結果與實際抽芯試壓值結果對比區別較大，造成這一原因的影響因素較多，如測試角度、混凝土的澆筑面、模板的材料特征、養護時間和環境等。其中，造成回彈法檢測結果存在誤差的最主要原因是由回彈法的檢測原理造成的，回彈法主要是通過混凝土的抗壓強度與混凝土的表面硬度的關系來獲取混凝土的強度，但是在養護中混凝土的氫氧化鈣組分易與空氣中的二氧化碳發生反應，形成碳酸鈣，導致混凝土表層硬化，這大大影響了回彈法的檢測精度，使得回彈法檢測結果僅僅反映的是混凝土表層厚度約3 cm的強度，而不能有效反映混凝土的內部強度。

另一種檢測隧道襯砌強度的技術方法為超聲檢測法，這種方法已在隧道檢測系統中得到廣泛的應用。顧名思義，超聲法是利用超聲波檢測儀，借助混凝土中超聲脈沖波的傳播速率，通過獲取各種聲學參數以及計算不同聲學參數之間的關系，得出混凝土結構中的缺陷問題，這一方法施工簡便，且準確率較高。

超聲回彈綜合法則集合了回彈法與超聲檢測法的優點，互相彌補不足，相輔相成，是目前國內外研究最多、應用最廣泛的混凝土強度檢測方法。

2 超聲回彈綜合法檢測隧道襯砌強度

回彈法容易受到混凝土齡期的影響，在混凝土齡期低的情況下，混凝土表層潮濕，所得到的回彈值結果偏小，相反，隨著混凝土齡期的不斷增大，混凝土表層發生反應造成表面硬化，導致回彈值偏大。對于超聲檢測法來說，混凝土的齡期低時，由于混凝土潮濕，使得超聲波傳播速度偏大，而在混凝土齡期高的情況下，混凝土內部結構干燥，超聲波的傳播速度偏小。因此，結合以上兩種方法的優缺點，誕生了一種全新的、更加高效、精度更高的混凝土強度檢測法，即為超聲回彈綜合法。

超聲回彈綜合法為通過借助低頻超聲波檢測儀和回彈儀，檢測混凝土構件的同一測區位置，獲取超聲波的傳播速度和回彈值，然后根據反映混凝土強度與其之間關系的公式，計算得出混凝土的強度。我國規范要求的混凝土強度計算公式如下:

(1)

其中，fi為結構或構件第i個測區混凝土抗壓強度換算值；Vai為修正后結構或構件第i個測區混凝土聲速代表值；Rai為修正后結構或構件第i個測區混凝土回彈代表值；a，b，c均為不同粗骨料的品種系數。若粗骨料為卵石，則a=0.003 8,b=1.23,c=1.95；若粗骨料為碎石，則a=0.008,b=1.72,c=1.57。

1)回彈值與超聲聲速值的處理。

在超聲回彈綜合法檢測隧道襯砌強度過程中，首先對檢測區測算16個回彈值結果，然后分別去掉3個最大和最小值，最后根據剩下的10個檢測值計算回彈代表值，采用公式如下：

(2)

式中：R——測區回彈代表值；

Ri——第i個測點有效回彈值。

在對混凝土澆筑方向的側面對測時，應選取3個測點獲取相應各點的聲速值，然后根據式(3)推算得到該測區的聲速代表值。

(3)

式中：V——測區混凝土中聲速代表值，km/s;

li——第i個測點超聲測距，mm；

ti——第i個測點的聲時讀數，μs;

t0——聲時初讀數，μs。

2)回彈值與超聲聲速值的修正。

在隧道襯砌工程中存在很多復雜的應力作用，因此在很多情況下，根據式(2)，式(3)所得出的結果是不適用的，所以，在實際的工程應用中，應在以上的處理結果基礎上，對所得到的回彈值和超聲波速度值展開進一步的修正。

如果采用回彈儀進行襯砌混凝土檢測時不在水平狀態，或者不是檢測混凝土澆筑的側面，在這種情況下，需對所得到的回彈結果數據實施角度修正，并進一步做頂面或者底面修正，從而得到最終的回彈代表值Rai。

如果檢測區是對混凝土澆筑的頂面和底面間對測或斜測，需修正測區的超聲聲速值，修正后的數據則為聲速代表值Vai。

最后，將修正后的回彈值與超聲聲速值代入測強公式，計算得到襯砌混凝土的強度。

3 工程應用實例分析

3.1 工程概況

為進一步分析實際工程中超聲回彈綜合法的應用效果，選擇我國四川某高速公路隧道工程，該隧道為分離式隧道，東西走向，雙向四車道，設計速度為80 km/h，隧道里程為K86+903～K88+340，隧道總長1 437 m，最大埋深115 m。

隧道洞身結構采用新奧法施工原理設計，即以系統錨桿、噴鹼、鋼筋網、鋼架組成初期支護與二次模筑鹼相結合的復合襯砌型式。當二次襯砌施工結束后，借助超聲回彈綜合法對襯砌強度實施檢測，以檢控隧道的襯砌強度。

3.2 隧道襯砌強度檢測結果分析

在隧道混凝土達到齡期后，采用超聲回彈綜合法選取隧道右洞K87+025～K87+085段進行混凝土強度檢測，以評價隧道的襯砌強度，檢測結果如表1所示。

根據表1得到的隧道襯砌混凝土抗壓強度值，對測區不小于10個的混凝土抗壓強度按平均值與標準差處理。如果混凝土強度等級大于C20，且標準差小于5.5 MPa，則襯砌構件測試段作為一批混凝土強度；如果測區小于10個或標準差大于5.5 MPa，則根據最小值原則，按單個構件推算混凝土強度。混凝土強度的推定結果見表2。

表1 二次襯砌混凝土強度檢測結果

表2 二次襯砌混凝土強度檢測成果表

根據以上內容，在采用超聲回彈綜合法檢測隧道右洞混凝土襯砌強度時，共有14個測區，測試值為26.27 MPa～38.35 MPa，混凝土強度推定值為25.86 MPa，高于設計要求中的C25混凝土強度，隧道襯砌強度符合要求。

4 結語

本文首先分析了隧道襯砌強度檢測技術的發展歷程，對目前應用最為先進的技術——超聲回彈綜合法進行了重點介紹，并在此基礎上，依托四川某隧道工程實例，分析了超聲回彈綜合法的應用。而在實際工程應用中，由于非金屬超聲儀在檢測泵送混凝土強度時規避誤差的效果不是很好，有時難免會出現一些較大誤差，如果存在較大誤差，則需根據現場情況，進行對比實驗對回彈結果實施修正，有條件的情況下，最好建立有針對性的測強曲線，有利于進一步提升修正后回彈值的準確性。

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[4] CECS 02∶2005，超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程[S].

On detection technique for lining strength in tunnels

Peng Xiaoqing

(ShanxiCommunicationsInstitute,Taiyuan030006,China)

The paper introduces the development of the detection technique for the lining construction, analyzes the principle for adopting the ultrasonic-rebound combined method in the detection of the tunnel lining strength, and illustrates its application in the projects, so as to provide some reference for the detection and control in the tunnel lining construction.

tunnel, lining construction, strength detection, ultrasonic-rebound combined method

1009-6825(2016)24-0167-02

2016-06-11

彭小慶(1984- )，男，工程師

U451.4

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