運營隧道襯砌開裂無損檢測綜合技術應用分析

秦德崴

（中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

隧道二次襯砌質量是保證交通運營安全的重要組成部分。隧道對天然環境的依賴性較大，易出現裂縫、漏水、侵蝕等問題，且產生原因復雜，裂縫是其中主要病害之一，也是較為棘手的問題之一。裂縫不僅影響美觀，嚴重時可引起二襯滲（漏）水、鋼筋銹蝕，進而導致二襯局部掉落，造成結構破壞，對結構穩定埋下安全隱患，縮短了隧道的維護周期和使用壽命。近幾年來，工業內窺鏡技術快速發展，其應用涵蓋了工業領域的各個方面。根據檢測的環境、位置、方向、通路等工況，通過選擇合適的管徑、長度、景深的內窺鏡，以最直觀的目視查明內部原因，解決故障缺陷。

某隧道長1150m，在左右兩線隧道均出現了不同程度的襯砌裂縫。文章針對右線裂縫里程隧道里程范圍YK19+550—YK20+460，采用多種方法檢測、分析開裂原因。

1 裂縫的分類及分級

對裂縫的分類有多種方法，常見按照形狀走向分為：環向裂縫、縱向裂縫、網狀裂縫及不規則裂縫。按照原因分為：溫度裂縫、干縮裂縫、接茬縫及荷載變形裂縫。根據受力情況分為：結構性裂縫和非結構性裂縫兩種。裂縫開展寬度在裂縫口處順垂直方向量取，裂縫根據開展寬度大小分為四級：

毛裂縫（又稱為發絲）W≤0.3mm，小裂縫0.3mm＜W≤2.0mm，中裂縫2.0mm＜W≤20mm，大裂縫W＞20mm。

2 隧道二襯開裂情況及檢測分析方法

在運營維護期間發現隧道右洞大范圍出現開裂，多以環向裂縫、網狀裂縫為主，呈不規則變化，拱頂處裂縫沿環向貫穿最大縫寬2.0mm，左右邊墻有不同程度縱向小裂縫且無明顯規律，部分隧道施工縫處出現環向裂縫。

2.1 裂縫深度檢測方法

超聲波檢測混凝土結構缺陷，一般是采用超聲穿透探測聲速、接收信號的首波幅度和波形這三個聲學參量，以綜合分析評定混凝土材料的內在質量。在檢測裂縫深度時，超聲波在混凝土中傳播，遇到裂縫會產生反射、折射、繞射等物理現象，使超聲波聲時延長，根據聲時的變化推測裂縫的深度原理圖見圖1。

圖1 裂縫檢測原理示意圖

2.2 裂縫寬度檢測方法

塞尺：操作簡單，只能粗讀，精度低。

裂縫寬度對比卡：操作簡單，只能粗讀，精度低。

讀數顯微鏡：操作簡單，有一定的放大倍數，精度高（0.01mm），存在人為讀數誤差。

數顯式裂縫寬度測試儀：操作更簡單，精度更高，誤差更小。

2.3 工業內窺鏡常用檢測范圍

電梯檢測：在對電梯進行維保的過程中，能夠通過內窺鏡檢測電梯的電機、電器柜等電氣設備，軸承、傳送帶組件的故障，以及曳引槽輪、鋼絲繩磨損程度，及時根據檢測情況作出維護方案。

橋梁檢測：工業內窺鏡對于橋梁吊桿內部鋼絲的腐蝕、斷裂、斷絲等情況的檢測；對于橋梁照明燈具內部線路、設施的缺陷檢測等。

管道檢測：內窺鏡可用于檢測市政或者工業給水以及排水、通風等各種管道內部堵塞、銹蝕、腐蝕、存在異物等異常情況，對消防栓內部的銹蝕情況進行定期的檢測和維護，避免消防設施無法使用[1]。

襯砌質量檢測：鉆孔結合內窺鏡可以直觀判斷襯砌內部缺陷，驗證無損檢測手段的準確性，內窺鏡檢測見圖2。

圖2 工業內窺鏡檢測

3 現場實際應用分析

分析此次隧道襯砌開裂原因采用了超聲波法、地質雷達法、沖擊回波法、回彈法、碳化深度、鉆孔結合內窺鏡檢測法、取芯法等。

3.1 裂縫檢測結果匯總

裂縫檢測結果匯總如表1 所示。

表1 裂縫檢測結果匯總

3.2 雷達分析方法

根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，地質雷達向介質內發射高頻電磁波，電磁波遇到介質中電性差異面時將產生回波反射，反射的回波被天線接收機接收并反饋至主機，主機采集的數據經專業軟件處理后生成能量灰度圖，通過分析能量灰度圖中特征反射圖像，對被測對象做出定性判斷。

檢測左邊墻素混凝土開裂段YK19+845—YK19+870、YK19+930—YK19+950、YK19+975—YK19+990、YK20+010—YK20+020 未發現襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實。雷達檢測圖見圖3。

圖3 左邊墻地質雷達波形圖

檢測右邊墻素混凝土開裂段YK19+715—YK19+709 未發現襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實見圖4（a）。YK19+911—YK19+905 未發現襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實見圖4（b）。YK19+924—YK20+918 設計厚度35cm 實測：23～36cm，最大欠厚12cm 且大于設計值的1/2，并且發現襯砌背后脫空見圖4（c）。鋼筋混凝土開裂段YK20+288—YK20+278 未發現襯砌欠厚，未見背后脫空，基本密實見圖4（d）。

圖4 右邊墻地質雷達波形圖

采用地質雷達900MHz 屏蔽天線在裂縫處檢測分析裂縫內部混凝土密實度、厚度是否滿足設計要求及鋼筋布置情況。檢測發現除YK19+924—YK20+918段最大欠厚12cm 且大于設計值的1/2，并且背后發現脫空，表面無裂縫。除上述外檢測其余測線厚度基本滿足設計要求，二襯混凝土基本符合設計要求，經分析襯砌的開裂與施工質量不具有直接關系。

3.3 鉆孔結合內窺鏡分析方法

針對鋼筋混凝土開裂段YK20+288—YK20+278，考慮到鋼筋對電磁波的干擾，采用沖擊回波聲頻（IAE）法、鉆孔結合工業內窺鏡的方法檢測隧道襯砌質量，發現距板縫30cm 處沖擊回波信號雜亂（圖5a），經現場核查此處混凝土表面存在蜂窩麻面，因此對此處進行局部微破損驗證（圖5b）。

圖5 右邊墻地質雷達波形圖

沖擊回波法因混凝土表面不平整容易引起應力波能量減弱畸變，導致波形雜亂，對反射信號產生一定影響，易產生誤判，同時，通過鉆孔內窺鏡驗證發現，該處混凝土膠結密實無明顯缺陷異常。沖擊回波法與鉆孔內窺鏡法的結合，可直觀地對疑似問題進行重點排查，大大提高了檢測的準確度，初步驗證襯砌質量不是導致混凝土開裂的主要原因。

3.4 混凝土強度分析方法

對右邊墻YK20+270 地質雷達掃描YK20+269—YK20+271 段，地質雷達檢測鋼筋為雙層見圖6（a）。第一層測深24～26cm、第二層測深40～41cm；取芯驗證為雙層鋼筋，第一層測深25cm、第二層測深41cm，與設計相符。鋼筋保護層檢測值為24～26cm 見圖6（b）、圖6（c）。

圖6 地質雷達取芯驗證對照圖

抗壓強度：在YK20+270 處鉆取三個芯樣，設計標號為C35，強度平均值為44.7MPa，芯樣強度均大于設計強度等級。

3.5 碳化深度檢測分析方法

混凝土的碳化是混凝土受到的一種化學腐蝕。指混凝土中的Ca(OH)2與空氣中CO2或水中溶的CO2或其他酸性物質反應變成CaCO3而失去堿性的過程，又稱作中性化。碳化深度檢測結果顯示碳化深度普遍很高均大于10mm 易導致形成混凝土收縮裂紋。

4 結語

以上地質雷達檢測結果與取芯驗證能完全對應，在鋼筋混凝土段利用鉆孔結合工業內窺鏡局部微破損的方法對檢測襯砌有良好的實用性，通過對裂縫深度、寬度的檢測及采用地質雷達、取芯與碳化深度對二襯混凝土質量綜合檢測，發現二襯混凝土基本滿足設計要求，隧道裂縫的產生，非二襯施工質量不合格導致受力不均而產生的結構性裂縫。檢測發現大部分以網狀裂縫為主，分析襯砌開裂原因為混凝土澆筑后養護不到位導致的收縮裂縫，混凝土澆筑后應加強后期灑水養護。