王木群

(中南大學(xué),湖南長沙 410075)

1 隧道傳統(tǒng)檢測及無損檢測概述

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

隧道工程質(zhì)量的無損檢測技術(shù)是指在不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能的前提下,通過測定某些適當(dāng)?shù)奈锢砹縼砼袛嘟Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件某些性能的檢測方法。無損檢測技術(shù)有著比常規(guī)檢測方法更為突出的無破壞性、隨機(jī)性、遠(yuǎn)距離探測、現(xiàn)場檢測等特點(diǎn),而且檢測數(shù)據(jù)可連續(xù)采集,并通過數(shù)理分析和邏輯判斷,能夠比較準(zhǔn)確地推斷出工程質(zhì)量的狀況,從而彌補(bǔ)以往質(zhì)量控制中的觀感檢查和僅靠外型質(zhì)量控制來推斷工程質(zhì)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(jī)械振動法、射線技術(shù)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(nèi)容為襯砌混凝土強(qiáng)度等級,襯砌混凝土厚度以及內(nèi)部裂隙、空洞和背后回填密實(shí)程度。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測襯砌混凝土厚度與內(nèi)部質(zhì)量

2.1.1 探地雷達(dá)法原理

探地雷達(dá)(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(jié)構(gòu)工程質(zhì)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(fā)射天線定向送入探測體,經(jīng)過存在電性差異的介質(zhì)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?shù)浇邮諜C(jī),信號在接收機(jī)經(jīng)過整形和放大等處理后,經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī),經(jīng)處理后,傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中對信號依照幅度大小進(jìn)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(jīng)濾波等數(shù)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(shù)。

2.1.2 襯砌混凝土厚度的檢測

探地雷達(dá)系統(tǒng)檢測襯砌厚度原理如圖1所示。圖1描述了探地雷達(dá)系統(tǒng)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(fā)射天線T發(fā)射電磁波經(jīng)反射被接收天線E接收,通過雷達(dá)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(jù)原理圖1可得脈沖波旅行時間與襯砌厚度的關(guān)系式為:

圖1 探地雷達(dá)系統(tǒng)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(fā)距即接收與發(fā)射天線中心的距離,是與天線有關(guān)的定值;v為電磁波在介質(zhì)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(shù)。

常用的介電常數(shù)見表1。

表1 不同物體的介電常數(shù)表GHz

當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)中的波速為已知時,可以根據(jù)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(zhì)量的檢測

襯砌混凝土質(zhì)量檢測原理如圖2。

圖2 襯砌混凝土質(zhì)量檢測原理示意

1)襯砌混凝土與圍巖結(jié)合的判識。由于襯砌混凝土與圍巖之間的介電常數(shù)差異較小,如果結(jié)合狀態(tài)較好、無空隙,則地質(zhì)雷達(dá)圖像上不會有特別明顯的反射信號,在圖像中表現(xiàn)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(nèi)空洞的判識。由于空氣與混凝土的介電常數(shù)差異較大,如果有明顯的空洞,則在地質(zhì)雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為襯砌界面反射信號增強(qiáng),特征明顯。

3)襯砌混凝土背后回填不密實(shí)的判識。襯砌混凝土背后回填不密實(shí)是介于回填密實(shí)與存在空隙之間的一種情況,在地質(zhì)雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為襯砌混凝土界面的強(qiáng)反射信號同相軸呈繞射弧形,且不連續(xù)、無規(guī)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(shí)例

2.2.1 舒家灣隧道初期支護(hù)空洞檢測

舒家灣隧道初期支護(hù)質(zhì)量的雷達(dá)檢測中,主要的質(zhì)量問題就是存在空洞。圖3就是從右洞Zk18+846～Zk18+879段雷達(dá)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(hù)空洞圖

結(jié)合地質(zhì)資料分析截取的雷達(dá)圖像片段可知,由于該段圍巖破碎,且用探地雷達(dá)作初期支護(hù)檢測時,受到的影響因素很多,所以出現(xiàn)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(jīng)過仔細(xì)分析后,認(rèn)為圖中不規(guī)則曲線包圍起來的部分的雷達(dá)圖像是由電磁波在一種介質(zhì)中連續(xù)波動形成的,故判斷此處存在空洞。經(jīng)打孔驗(yàn)證,此處確實(shí)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(chǎn)生空隙,甚至形成脫空現(xiàn)象。如果大面積的空隙存在,就成了空洞,在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為很強(qiáng)的反射信號。在進(jìn)行二次襯砌質(zhì)量檢測時,由于探地雷達(dá)受到的環(huán)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(jīng)打孔驗(yàn)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(jìn)行處理,否則會給隧道運(yùn)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(tǒng)布置圖

3 錨桿的檢測

錨桿是將破碎或不穩(wěn)定巖體(塊)與牢固穩(wěn)定的巖體連接在一起以提高整體穩(wěn)定性的一種支護(hù)措施。當(dāng)錨桿發(fā)揮作用時,錨桿不同部段的功能各不相同。錨桿內(nèi)端處于牢固穩(wěn)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(wěn)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(fā)揮設(shè)計(jì)的效果,除保證錨桿的長度滿足設(shè)計(jì)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(yīng)力反射波法檢測,檢測原理如圖5所示。

1)錨桿長度檢測。應(yīng)力反射波法是一種無損檢測方法,該方法的基本理論依據(jù)為一維桿件的彈性應(yīng)力波反射理論。在錨桿頂部激發(fā)彈性應(yīng)力波,當(dāng)彈性應(yīng)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(chǎn)生反射波回到錨桿頂。

式中:vc為錨桿中應(yīng)力波傳播速度;t為應(yīng)力反射波的雙程走時。

根據(jù)反射波的走時和錨桿中的應(yīng)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(yīng)力波傳播速度可在現(xiàn)場已知長度的錨桿上進(jìn)行標(biāo)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(yīng)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(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播特性可知:應(yīng)力波在堅(jiān)硬完整的介質(zhì)中傳播速度大,衰減速度快,而在松散及不完整介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播速度小,衰減速度慢。

利用應(yīng)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(zhì),因此應(yīng)力波的波形規(guī)則衰減快,近于指數(shù)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(zhì),應(yīng)力波的波形雜亂,衰減慢。根據(jù)不同方向、不同部位擊震的應(yīng)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(tài)表

錨桿抗拔力通過拉拔試驗(yàn)進(jìn)行檢測。拉拔試驗(yàn)檢測方法是一種傳統(tǒng)的錨桿錨固質(zhì)量檢測方法。進(jìn)行拉拔試驗(yàn)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(yù)應(yīng)力,然后用手動液壓泵加壓,同時記錄液壓表和位移計(jì)上的對應(yīng)讀數(shù),當(dāng)壓力或者位移讀數(shù)達(dá)到預(yù)定值,或者當(dāng)壓力計(jì)讀數(shù)下降而位移計(jì)衰讀數(shù)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(jìn)而分析出試驗(yàn)錨桿的抗拔力大小。

3.2 工程實(shí)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(tài)的錨桿。對一根錨桿在未知長度情況下進(jìn)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(shí)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(zhì)量優(yōu)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(shè)計(jì)是2.50m,測得2.58m。從圖中可以看出波在錨固質(zhì)量優(yōu)的錨固系統(tǒng)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(jīng)現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)際長度是2.53 m,抗拔力為40MPa,證明該錨固系統(tǒng)質(zhì)量為優(yōu)。

圖8 錨固質(zhì)量優(yōu)的錨桿的時域波形

3)錨固質(zhì)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(shè)計(jì)是2.50m,測得2.45 m。從圖中可以看出,波在錨固質(zhì)量差的錨固系統(tǒng)中衰減較慢,錨桿底端反射十分明顯,波形變化規(guī)律和自由錨桿相似。經(jīng)現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證,抗拔力僅10 MPa,實(shí)際長度足2.47 m,最大誤差為0.02 m,綜合判定該系統(tǒng)錨固質(zhì)量較差。

4 結(jié)論及建議

采用地質(zhì)雷達(dá)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(shí)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(zhì)雷達(dá)、超聲波等無損檢測,其結(jié)果往往受儀器、技術(shù)、隧道襯砌和圍巖狀況本身的影響,實(shí)際工作中一般需要布置一定量的測點(diǎn)進(jìn)行鉆孔取芯,對無損檢測結(jié)果加以驗(yàn)證。

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