隧道工程检测技术

隧道工程检测技术中铁四局试验检测中心章国辉1概述隧道工程属重要的混凝土结构工程，随着对隧道工程质量的重视，隧道工程的检测手段不断提高，从隧道各个施工工序进行监控和检测，以前认为是隐蔽工程的隧道现在已经不再是‘隐蔽’，比如有的工程要求在施作二衬前对喷射混凝土进行雷达检测、对锚杆长度和砂浆密实度进行检测等，确保了工程质量内实外美。隧道工程检测包含很多方面，涉及面很广，包含原材料、混凝土配合比、新拌混凝土性能、硬化后混凝土强度厚度、注浆检测、现场控制检测、及工程监测等，这些检测分别包含在各个工序中，隧道现场检测一览表见表1。1概述•表1隧道现场检测一览表（TB10751-2010）工序名称试验项目检验频次检验方法备注明洞明洞开挖地基承载力每一施工段检查一次，检查不少于5次静力触探和标准贯入检测回填回填土密实度每一作业循环检查一次压实度检测初期支护喷射混凝土早期强度每级连续围岩进行一次工艺性试验贯入法、拔出法或无底试模强度每一作业循环检验一次，每个循环至少在拱部和边墙各留置一组检验时间喷大板切割法、凿方切割法、钻孔取芯法厚度全断面开挖时，施工单位每一作业循环检查一次，分部开挖时，施工单位每3~5m检查一次，每个断面应从拱顶起，每间隔2m布设一个检查点。埋钉法、凿孔法或无损检测法无损法检测项目较全面1概述•表1隧道现场检测一览表（续）工序名称试验项目检验频次检验方法备注初期支护喷射混凝土与围岩结合力无明确要求成型试验法、直接拉拔法初支背后脱空每10m检查一个断面，每个断面从拱顶中线起每3m检查1个点凿空、雷达检测仪监测锚杆材质物理性能（公称直径及质量、壁厚）指标随机抽样3%检验力学性能：每批次抽样2套尺量、材料试验机拉伸等锚杆砂浆锚杆长度及锚固密实度检测抽样率不应低于总锚杆数的10%，且每批不宜少于20根。声波透射法（锚杆无损检测仪）抗拔力每300根抽检3根，或锚杆总数的1%拉拔仪法公路1概述•表1隧道现场检测一览表（续）工序名称试验项目检验频次检验方法备注防排水防水板焊缝质量检测每一浇筑段环向检查1条、纵向检查2条焊缝充气检查衬砌新拌混凝土强度每拌制100盘且不超过100方取样一组；每工作班拌制同一配比不足100盘取一组；现浇混凝土每一结构部位取样不少于一次。同条件试件（衬砌每200m；仰拱、底板每500m检测结构实体强度1次）抗压强度混凝土抗渗衬砌、仰拱、底板每500m应制作检查试件1组，不足500m也留一组。抗渗检测硬化后混凝土强度每板检测回弹法、超声回弹综合法、钻芯法已为必检项目二衬厚度及缺陷布6条测线，全检无损检测法1概述•接下来将着重从明洞、洞身开挖、支护、防排水、衬砌等施工过程中包含的重要场检测加以讲解，主要引用的标准：•《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）•《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008）•《铁路隧道防排水施工技术指南》（TZ331-2009）•《铁路工程结构混凝土强度检测规程》（TB10426-2004）•《铁路原位测试规程》（TB10018-2003）•《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》（JGJ/T136-2001）•《公路隧道工程设计规范》(JTGD70-2004)•《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）•《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）2明洞•2.1明洞开挖•明洞基础地质情况和地基承载力检测方法和频率在铁路标准中有明确规定，而公路标准未明确检测方法和频率。•⑴标准规定•高铁验标—TB10753-2010、公路验标—JTGF80/1-2004•均要求明洞基础地质情况和地基承载力应满足设计规范要求；•⑵检测频率•高铁验标—TB10753-2010：每施工段检测一次，不少于5处；•⑶检测方法•高铁验标—TB10753-2010：静力触探或作标准贯入检测。2明洞•⑷检测方法简介•①静力触探（CPT）•基本原理就是用准静力将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力自然也不一样，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的•设备组成有贯入装置、传动系统及测量系统三部分组成，测量系统包括探头(单桥、双桥)、电缆和电阻应变仪等。•适用范围粘性土、粉性土、砂性土。地面以下50m内的各种土层，特别是对于地层情况变化较大的复杂场地及不易取得原状土的饱和砂土和高灵敏度的软粘土地层的勘察，更适合采用静力触探进行勘察2明洞2明洞•②标准贯入检测（SPT）•基本原理是用63.5kg的锤,自76cm的高度自由落下,将长度51cm、外径5.1cm、内径3.49cm的对标准贯入器击入土中30cm所需的锤击数,称为标准贯入击数N。是一种动力触探。•设备组成主要由贯入器、触探杆和穿心锤三部分组成。•适用范围一般适用于一般性粘土、粉土和砂类土，可用来判断砂土密实程度、黏性土塑性状态和地基承载力，评定砂类土粉土的地震液化，确定土层剖面。已被列入国家《工业与民用建筑地基基础设计规范》中。2明洞2明洞•2.2明洞回填•⑴标准规定•TB10753-2010：回填密实度符合设计要求，回填土压实度不低于0.8。•JTGF80/1-2004：回填密实度符合设计要求。•⑵检测频率•TB10753-2010：每一作业循环检查一次。•⑶检测指标•TB10753-2010：压实度•JTGF80/1-2004：控制层厚及碾压遍数。3开挖•洞身开挖前及开挖过程中必须进行地质超前预报，《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010），把超前地质预报作为一道工序纳入施工组织设计和施工管理中。•超前地质预报采用的方法、预报范围和频次应符合设计要求，超前地质预报的施作里程、位置、搭接长度必须符合设计要求。要求超前地质预发应无缝连接。•采用超前地质钻和物探法相结合。2009年我局也下了相应的文件（中铁四技[2009]21号）作了明确规定，强制要求地质预报。3开挖•⑴超前地质钻•优点：探测直观、有效、真实,施工时间短；•缺点：是探测距离有限，一般25m～40m，探测面小，因为探测的孔不多，往往存在一孔之见。3开挖•⑵物探法•物探法常用的主要有地质雷达法、红外探测法及TSP法、TRT法等。•地质雷达法测的探测距离比较近；•红外探测法主要探测水；•TSP和TRT是一种比较常用先进的超前地质预报法，它可以探测断层分部、围岩变化、溶洞情况等。一般情况，在隧道进洞前50米内采用地质雷达法，50米后采用TSP法或TRT法进行超前地质预报。TSP原理示意图图1TSP原理图地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道TSP超前地质预报仪3开挖•TSP和TRT法属于多波多分量高分辨率地震反射波法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收（图1）。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。3开挖•根据以下原则进行：①振幅分析：反射波振幅越高，反射系数和波阻抗的差别越大，说明存在断面的可能性较大。②相位分析：正反射振幅表明正的反射系数，也就是刚性岩层；负反射振幅指向软弱岩层。③能量分析：若S波反射比P波强，则表明岩层可能饱含水。④波速分析：Vp/Vs较大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流体的存在而引起。⑤若Vp下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。4初期支护检测•初支是隧道工程中重要的施工环节，主要的现场检测有喷射混凝土（早期强度、厚度等）及锚杆的检测：•4.1喷射混凝土早期强度•⑴标准规定•TB10753-2010：早期强度应符合设计要求，24h强度不小于10MPa。（指南里还规定喷射混凝土3h强度应达到1.5MPa）•JTGF80/1-2004：早期强度未作明确要求，需根据设计文件。•⑵检测频率•TB10753-2010：每级连续围岩进行一次工艺性试验。•⑶检测方法•TB10753-2010：贯入法、拔出法或无底试模。4初期支护检测•⑷检测方法简介•所谓工艺性试验是为考查工艺方法、工艺参数的可行性或材料的可加工性等而进行的试验，高铁验标要求每级围岩进行一次工艺性试验。•①贯入法(射钉法)：根据射钉贯入砂浆的深度和砂浆抗压强度间的相关关系，采用压缩工作弹簧加荷，把一测钉贯入砂浆中，由测钉的贯入深度通过现场建立的测强曲线来换算抗压强度的检测方法。设备由发射枪、子弹、钢钉和测量卡尺组成。•贯入法优点快捷、时效性比较强，可操作性强且对喷射混凝土无损伤；缺点是检测强度的准确性受回归方程的精度、喷射混凝土的骨料及所选点的位置等因素的影响较大。（引用标准《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》JGJ/T136-2001）4初期支护检测•②拔出法：分为预埋拔出法和后装拔出法。通过测定拔出力的大小来确定混凝土强度，目前国内以后装拔出法为主，是在硬化混凝土上钻孔、磨槽、安装锚固件后用拔出仪做拔出试验，具有测试结果可靠、适用范围广，操作简单、成本低等特点。该技术被中国标准化协会批准为协会标准《后装拔出家常呢混凝土强度技术规程》(CECS69:2001)。•③无底试模法：使用无底试模成型，砂浆容易失水，所测得的强度更接近工程实际值,无底试模的边长为150cm，成型起来比较方便，抗压试验加载方向应与试块喷射成型方向垂直，抗压强度换算系数应通过试验确定。4初期支护检测•4.2喷射混凝土强度•⑴标准规定•TB10753-2010：喷射混凝土强度必须符合设计要求。•JTGF80/1-2004：喷射混凝土强度在合格标准内。•⑵检测频率•TB10753-2010•每一作业循环检验一次，每个循环至少在拱部和边墙各留置一组检验时间。•JTGF80/1-2004•双车道隧道每10延米，至少在拱脚和边墙各取1组（3个）试件。其它工程，每喷射50方～100方混合料的独立工程，不少于1组。4初期支护检测•⑶检测方法•采用喷大板切割法。必要时采用凿方切割法或钻孔取芯法。•⑷检测方法简介•TB10753-2010附录K对试件的制作方法进行规定如下：•①喷大板切割法应在施工同时，将混凝土喷射在45*35*12cm（可切割6块）或45*20*12cm（可切割3块）的模型内，当达到一定强度后加工成10*10*10cm的立方体试件，在标准条件下养护至28d进行试验（精确至0.1MPa）。4初期支护检测•②当采用喷大板切割法对强度有怀疑时，可用凿方切割法。凿方切割法应在具有一定强度的支护上，用凿岩机打密排钻孔，取出长35cm，宽15cm的混凝土块，加工成10*10*10cm立方体试件，在标准条件下养护至28d进行试验（精确至0.1MPa）。•③当采用喷大板切割法对强度有怀疑时，也可采用钻孔取芯法。•钻孔取芯法应在具有28d强度的支护上，用钻孔取芯机钻取并加工成长10cm、直径10cm的圆柱体进行试验（精确至0.1MPa）。4初期支护检测•4.3喷射混凝土厚度•⑴标准规定•TB10753-2010•喷射混凝土厚度的检查点数90%及以上应大于设计厚度。•JTGF80/1-2004•a平均厚度大于设计厚度；•b检查点数的60%及以上应大于设计厚度；•c最小厚度不得小于设计厚度的1/2,且不得小于5cm。4初期支护检测•⑵检测频率•TB10753-2010：全断面开挖时，施工单位每一作业循环检查一次；分部开挖时，施工单位每3～5m检查一次，每个断面应从拱顶起，每间隔2m布设一个检查点。•JTGF80/1-2004：每10m检查一个断面，每个断面从拱顶中线起每3米检查1点。•⑶检测方法•TB10753-2010：埋钉法、凿孔法或无损检测法。•JTGF80/1-2004：凿孔法或雷达检测法