隧道混凝土衬砌质量检测方法

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第 2 2卷第 3期20年 5月 02

长安大学学报 (自然科学版 )J un l f h n nUnv ri ( aua S i c dt n o r a o C a ga i s y N trl c neE io ) e t e i

V o1 2 N O. .2 3 M a 00 y2 2

文章编号： 0 74 1 (0 2 0—0 10 1 0— 1 2 2 0 ) 30 5 -4

隧道混凝土衬砌质量检测方法陈建勋(安大学公路学院，西西安长陕 7 06 ) 1 0 4

摘要：绍了用超声波检测混凝土衬砌强度、地雷达法探测混凝土衬砌厚度及背部空洞的方介探法。用该方法对某隧道混凝土衬砌质量进行了检测。将超声波法检测结果与施工过程中经监理工程师签认的混凝土衬砌强度试验结果进行了对比，果表明两者比较吻合；时用现场钻孔的方法结同对探地雷达法的探测结果进行验证，果表明两者比较吻合。结关键词：通；凝土衬砌质量；测方法隧混检

中图分类号： 5 . 1 U4 5 9

文献标识码： A

De e t ng m e ho or lni alt onc e e i t t ci t d f i ng qu i y of c r t n unne lC H N an— E JJ zun( c o lo g S h o fHi hwa y.Ch n n U n v r iy,Xi n 7 0 6 a ga i e st 1 0 4,Chi a a n )

A bs r c: T he s ta t upe s r oni a a c w ve w s app i O de e t he c c e e ln n t e led t t c t on r t i i g s r ngt n t h i unn l a e, nd

t e ogi ad he g ol c r or was utlz d t u v y t e c nc e e i i hikn s n t nn l O a o t s he ii e o s r e h o r t ln ng t c e s i u e,S s t e t t lni g qua iy ofc i n lt onc e e i unne .T h es e e uls o up r oni ve we e c r t n t 1 e t t d r s t fs e s c wa r om p

r d w ih t a e t he on s obt ne up v s e ai d by s er i on— ng ne r e i e s,t u v ye t e og c r he s r e d da a of g ol i ado r ompa ed w ih r we e c r t

t e n s e i e b t e n t e s o b rn h o e d rv d y h o— h— p t o i g. The o p r so s h w t a t e v a o d c m a ii n s o h t h y ha e g o c h r n e r l t n wih e c t e s o e e c ea i t a h o h r . oKe o d y w r s:t unne; c l onc e e lni alt r t i ng qu iy; d t c i e ho e e tng m t d

目前，道设计施工中多采用复合式衬砌。隧复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌 (筑混凝土 ) 模组成。期支护是保证围岩达成施工期间的初步稳定，初

混凝土衬砌内在质量的检测主要包括混凝土强度、凝土厚度、砌背部是否存在空洞等内容。混混衬对凝土强度采用超声波法进行检测，混凝土厚度以及对衬砌背部是否存在空洞采用探地雷达法进行检测。

二次衬砌则是提供安全储备或承受后期围岩压力。 具体地讲，次衬砌在Ⅳ类以上围岩时按安全储备二设计，Ⅲ类以下围岩时按承载 (期围岩压力 ) 在后结

1用超声波法对混凝土衬砌强度的检测 1 1超声波法的原理 .声波测试是弹性波测试方法中的一种，理论其

构设计，均应满足构造要求。并由此可见隧道的二次衬砌 (下简称混凝土衬砌 )隧道的承载结构 (以是对

软弱围岩尤其如此 )也是隧道防水工程的最后一道，防线。因此，道混凝土衬砌质量的好坏对隧道的长隧期稳定，用功能的正常发挥是至关重要的。量的使大工程实践证明，于混凝土衬砌质量存在问题往往由导致隧道衬砌开裂、漏水、至塌方。以说，隧渗甚所对道混凝土衬砌质量的检测尤如对桥梁进行荷载试验一

基础是固体介质中弹性波的传播理论。该方法是以

人工激振的方法向介质发射声波，一定的空间距在离上接受介质物理特性调制的声波，过观测和分通析声波在不同介质中的传播速度、幅、率等声学振频参数，决土木工程中的有关问题。解 试验研究表明，凝土的抗压强度尺混。与纵坡

样重要。收稿日期： 0 1l - l 2 0一 12

的传播速度

之间存在着明显的关系，图 1所如

作者简介：建勋 ( 9 9)男，西韩城人，安大学讲师陈 1 6一，陕长

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长安大学学报 (自然科学版 )

20 0 2生

中传播时，介质电磁性变化或介质几何形状改变因

而产生相位及回波能量、形的变化。过计算机使波通、

用不同的滤波程序对反射波运行时间、波能量分回

骥

布及波形进行处理和分析，而推断地下地质结构。从 2 2探地雷达检测混凝土衬砌厚度及背部空洞的 .方法

囊赠

实测时将探地雷达的发射天线和接收天线密贴于衬砌表面，磁波通过天线进入混凝土衬砌中，电遇到钢筋、拱架、凝土中间的不连续面、凝土与钢混混图 l R 一关系曲线

空气分界面、凝土与岩石的分界面、石中的裂面混岩

示。可认为，声波在混凝土内的传播速度是由混即超凝土的强度所确定的，混凝土成分 (量和原材料是质

等产生反射；收天线接收到反射波，出反射波的接测入射和反射双向走时，可计算出反射波走过的路就程长度，有式 ( )即 2h— VAt 2￣ () 2

品种 )龄期及拌制工艺等的复合函数。它们之间的、关系可用式 ( )示 1表R: a w e () 1

式中： h为天线到反射面的距离 (;为波速 ( m) V m/n)A s; t为波的双程走时 ( s 1n= 1 S。 n, s 0 )

式中：为混凝土的抗压强度 ( a; 声波传足 MP ) V为播速度 ( m/ )日 b为常数。 k s;、

对探地雷达工作频段而言，下介质一般视为地准电介质，波速可近似为式 ( )其 3V= C/ () 3

1 2确定系数日 b的值 .、现场有条件时，取

芯机在衬砌表面取两组 (用每组 3个 )件，行声波试验和破损试验，测得试试进以

式中：为波速 ( n ) C为真空中的光速 ( . m/ s; O 3m/ n ) e为介电常数， s;由波通过的物质决定，参照表可1取值。

件的波速

和抗压强度忌，每组试件的波速平取

均值和抗压强度平均值分别代人公式 ( )即可求得 1, a b的值。、 现场无条件时，选用相同材料、同配合比配可相制相同强度等级的混凝土，般为两组 (组 3个 )一每

表 1主要介质特性参数介质水泥混凝土

相对介电常数3 6~

波速/ s 1 m n一01O 0 10 . 3~ .7

试件。用与上述相同的方法，求得 a b的值。可、 1 3混凝土衬砌强度的检测 .对混凝土衬砌声波检测采用沿面法。为了使声波有效地发射到衬砌中，有效地接收到由衬砌中并

空气水

l8 l

0 30 . 00 03 . 3

在现场有条件时，采用钻孔实测波速，提高可以检测数据的精度。

传来的声波，用橡皮泥或黄油作为耦合剂使发射采探头与接收探头与衬砌表面有良好的接触，个衬每砌断面测三处，别在拱顶、边墙、边墙。处读分左右每三次声时值，三次数据的平均值为计算值。计算取将所得的波速 (测波速 )人公式 ( )即可求得混凝实代 1,土的强度值。

2 3探地雷达检测成果 .2 3 1衬砌厚度 . .

由于隧道混凝土衬砌与岩体的介电常数有明显的差别，以衬砌与围岩之间的界面有明显的电磁所波反射现象。用雷达测出电磁波在衬砌中的双程走时，衬砌厚度为 h=VA￣。则 t 22 3 2衬砌背部空洞 ..

2用探地雷达法对衬砌厚度及背部空洞的探测2 1探地雷达法的原理 .探地雷达法是一种利用高频脉冲电磁波探测混凝土及下覆介质分布形态的一种无损伤检测方法。 由发射机通过天线向混凝土中发射高频宽带电磁波，收机接收来自介质的反射信号。接电磁波在介质

由于空气和围岩的介电常数有明显的差别，

所以在地质雷达成果图上，果衬砌背部存在空洞，如也是易于识别的。2 3 3地下水 . .

水对雷达波有强烈的反射。所以地下水在围岩和衬砌中的活动情况也可采用地质雷达探测出来。

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第 3期

陈建勋：道混凝土衬砌质量检测方法隧

5 3

将表 2结果代入式 ( )求得该隧道混凝土衬砌 1,

3工程实例 近年来，工程质量实行终身责任制，设单对建位、工单位和工程管理部门为确保质量，国家交施为出放 0工程，益重视工程交工验收前的质量检测日工作。用无破损的检测方法对工程质量作出科学、采 公正的评定是当前工程实践的要求。现以某隧道为例，绍运用超声波法和探地雷达法对公路隧道混介凝土衬砌质量进行检测评定的应用情况。

的是指数波速和抗压强度之间的关系，用式 ( )示 4表R,一 19 69。鹊。~ . e ( 4)

沿隧道纵向每 4 取一个检测断面，断面 0m每分别在拱顶、侧边墙、侧边墙取测试点，处读左右每

三个数据，平均值为计算值，得波速 (取求见表 3。 )再利用公式 ( )得该处的混凝土强度值，结果见 4求其

表 3。应用数理统计方法处理后，强度代表值为其2 . P,最低强度为 2 . P,设计强度值 9 5M a其 9 4M a其

3 1超声波法在混凝土衬砌强度检测中的应用 .选用相同材料、同配合比配制相同强度等级相的混凝土标准试件两组，组 5个。行声波试验和每进破损试验，分别求出每组的波速平均值和抗压强并度平均值，结果见表 2其。表 2隧道混凝土衬砌试件实测波速和抗压强度 波速/ s 1 m I抗压强度/ P M a

为 2 a故其抗压强度为合格。 5MP,查验施工原始记录，查了 1 0组经监理工程检 1

师签认的混凝土强度试验记录数据，以数理统计的方法进行评定，强度代表值为 2 . P,度最其 9 3M a强低值为 2 . P,计强度值为 2 P。超声波 82 M a设 5M a与检测结果比

较吻合。

试件编号l 2

3 2探地雷达法在混凝土衬砌厚度及背部空洞检 .测中的应用某隧道拱顶探地雷达检测成果见表 4探地雷，

实测值32 . 26 0 29 . 41 0

平均值

实测值2 . 9 7 2 . 9 3

平均值

达剖面图见图 2通过对剖面图的分析处理，存在。对3.8 0 4

l组

34 5 l 2

32 4 0 .03 4 8. 4 0 3 0 0. 3 0 3 4 8. 4 0 322 .0 6

3l6 . 98

3 . 2429 2 . 3 . 1 8 3 . 4 5 27 5 .

空洞的部位进行了钻孑检测，结果见表 4 L其。由表 4可知，探地雷达的检测成果和钻孑检测结果比较吻 L合。

2组

34 5

33 3 3 .03l 7 0 6 . 384 . 6 0

34 4. 0 0

30 8 .29 .9 3 7 4.

3 4 1. 8

4结语 ( )本文论述了用超声波法和探地雷达法对公 1

路隧道混凝土衬砌工程质量进行检测的原理，并介

表 3隧道混凝土衬砌波速测试及抗压强度换算 位置

序号

左侧边墙波速/ s m一抗压强度/ P M a3 . 2 0 3 . 0 4 30 4 . 30 8 . 29 5 . 3 .6 0 3 .7 0

拱顶波速/ I m s134 8 4 .3 32 8 7 .7 33 3 3 3 . 33 3 3 3 . 33 3 3 3 . 3l 5 0 2 . 3 3l . 6 7

右侧边墙波速/ m s3 3 1. 6 3 3l . 59 6 28 8 9 .6 28 8 9 .6 357 . 1 4 3l 9 7 3 . 3l 9 6 5 .

抗压强度/ P M a31 7 . 30 9 . 31 2 . 31 2 . 3 . 1 2 3 3 0. 3 .1 1

抗压强度/ P M a3 . 1 3 3 . 0 4 29 4 . 29 4 . 32 2 . 30 4 . 3 4 0.

l 2 3 4 5 6 7

352 . 7 3 3l3 . 9 7 3l . 59 6 32 . 41 5 2 9 8. 2 3 3l . 89 8 321 .3 0

89 1 0 l l l 2 l 3 l 4

3l 5 2 .031 9

5 .6 3l5 . 9 6 3l8 . 9 8 29 . 63 0 3l . 59 6 30 2 8 6 .

3 .3 03 .4 O 3 . 0 4 3 . 0 6 29 .6 3 4 0. 3 .0 0

3l8 . 9 8331 . 6 7 3l 4 7 .6 33 2 7 .7 337 . 2 7 365 . 6 3 33 . 89 8

3 . 0 63 .1 1 3 . 0 5 3 . 1 3 3 3 1. 3 6 2. 3 . 1 4

29 . 41 23 35 1 O. 3 4 0. 3 5 3l . 59 6 30 6 l .6 32 1 5 4 . 2 96 . 3 0

29 5 .31 2 . 3 . 1 6 3 . 0 4 29 8 . 3 8 0. 29 6 .

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长安大学学报 (自然科学版 )表 4某隧道拱顶 K2 7 1 0 K2 7 3 0段地质雷达解释结果 0+ 0￣ 0+ 1桩号围岩类别二衬设计厚度/ m c地质雷达解释结果全段不密实，续存在多处小空洞，凝土厚度 2连混 0~

20 0 2丘

钻孔验证结果

K 2 7+ 1 3 K 2+ 1 0 0~ 07 45

I

5 0

4 m .洞高度 1~ 2 m,中 K2 7¨ 2 0c空 0 5c其 0+~ K2 7 41 0混凝土厚 4 0- 4: - lc m.空洞高 2 m 4c

K2 7¨ 5处空洞范围较大，约有 5 0m,空洞高 0+ .度 2 m .混凝土厚 2~ 2 m。 5c 0 5c

空洞，范围约有 3 I 3 I,空洞高度 2~ 2 m,混凝 K2 7 1 0混凝土厚 2 T 0 5c 0+ 8: 4K 2 7+ 1 2 K2 7+ 1 5 0 ~ 5 0 8 I 5 0

土厚度 1~ 2 m。 5 5c 全段不密实，连续存在多处小空洞，单个空洞范围一

c,空洞高 3 m。 m 3c

般约 1 0m,凝土厚度一般为 1~ 2 m .中 .混 0 5c其

K2 7 2 0混凝土厚 5 0+ 2:

K 2 7+ 1 4 K 2 7+ 2 0 0 9~ 0 4

I

5 0

以 K2 7 2 2处空洞较大，围约有 6 8I .洞 c,空洞高 4 m。 0+ 2范~ I空 T m 3c 高度 4 m。 0c 空洞 .围约 5 6 I,衬混凝土厚度 1~ 3 m,范~ I二 T 5 0c 空洞

高度约有 l~ 4 m。 5 5c 空洞 .围约 1 0 I,空洞高度 1~ 1 m,凝土范 . I T 0 c 5混厚 1~ 2 m。 5 Oc

K2+ 2 07 60

I

4 5

K2 7 2 0混凝土厚 1 0+ 6: 2 c m,空洞高 5 m 0c

K2 7 2 9 0+ 6

I

4 5

未钻孔

K2 7 2 5 0+ 8

I

4 0

空洞，围约 2 0I,二衬混凝土厚度约 1 m.空范 . T I 0c洞高度约 2 m。 5c

未钻孔

K 2 7+ 3 0 0 0

I

4 0

空洞，范围约 1 1 r .空洞高度约 2~ 6 m,混凝 K2 7 3 0混凝土厚 5 2l 0 0c 0+ 0: 土厚 5 2 m。~ 0c c .空洞高 6 m m 8c

位置， m0

ZK1●

● ZK2

绍了该方法在某隧道的实际运用情况，证实了该方法的应用效果和可靠性。

1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 O 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 ( 7 0 2 3 4 5 6 7 8 9 20 2720 2+ 0 1 0 K0 1+

( )有无损检测手段对工程质量进行检测是 2采5∞

目前工程质量管理的发展趋势。隧道工程属地下工程，衬砌质量优劣与隧道安危攸关，其质量进行其对检测评定尤如对桥梁进行荷载试验一样重要。故建议用探地雷达法对衬砌背部空洞的检测应列入相关

匡 1 0

譬1 5 2 00

2040

标准，确保工程质量。以

60

( )文结合工作实际情况，公路隧道混凝土 3本对衬砌工程质量检测方法进行了探讨，正之处，各不请位同行指正。 参考文献：[]吕康成 .道工程试验检测技术[]北京：民交通 1隧 M .人出版社， 9 9 l 9.髓辩黎露辩啜确露

位置， m● ZK3 ● ZK4 ZK5● 10 2 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 3 o 0 3 (7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b 7 1 2+ 0+0● _ ■ - ● ● ● ● _

堂薯5

霸睡圈癌端麓廖霸隧舞慰确嘲靠雹目黉蔼曹

1 0

l5

200

- I]钟世航 .黄线中段 4 2朔 5

座隧道衬砌的质量检测[ . A] 隧道和地下工程第 l O届科技动态报告文集[ . c]成都：南交通大学出版社，00西 2 0.

2 040

6 0

[]交通部公路科学研究所 . J J 7—8公路工程质量检 3 (T O 1 9 )

圃

圆

日

验评定标准 E]北京：民交通出版社，9 8 s.人 l9.

空洞或不密实

钻孔位置及编号

二衬混凝土界面

[任编辑责

孙守增]

图 2某隧道拱顶 K 0+1 0 2 7 0￣K2 7 1 0+3 0地质雷达检测成果图