隧道土建结构检测项目及无损检测方法的应用

隧道土建结构检测项目及无损检测方法的应用广西交投科技有限公司周德存2017年4月一、隧道基本知识二、隧道土建结构检测内容项目三、无损检测方法在土建结构检测中的应用一、隧道一些基本知识1.1隧道分类按不同性质分为不同的种类（1）山岭隧道、城市隧道、水下隧道（2）短隧道、中隧道、长隧道、特长隧道（3）分离式、小净距、边拱隧道41.2公路隧道的主要特点1、断面大2、形状扁平3、围岩条件复杂4、结构受力不确定5、开挖不可预见的因素多6、施工环境差7、隐蔽工程多8、需要运营通风9、需要运营照明10、防水要求高。51.3隧道常见质量问题及病害现象•隧道渗漏水•衬砌开裂•衬砌厚度不足•衬砌背后空洞及不密实现象•混凝土劣化、强度不足•路面隆起、下沉、开裂•照明亮度不足，悬挂件锈蚀、松动、脱落、缺失，附属设施损坏（机电方面）6二、隧道土建结构检测内容、项目土建结构主要是指隧道的各类土木建筑工程结构物，包括洞口边仰坡、洞门、衬砌、路面、防排水设施、斜（竖）井、检修道及风道等结构物。运营中隧道土建结构检测分为：经常性检查、定期检查、应急检查和专项检查等四类。82.1隧道土建结构定期检测内容9洞口、洞门、衬砌结构、衬砌渗漏水、路面、检修道、排水设施、吊顶及预埋件、内装饰、交通标志标线2.2隧道土建结构应急检测内容应急检查是在隧道遭遇自然灾害（地震、火害、洪水等）、发生交通事故或出现其它异常事件后，为了查明缺损状况、采取应急措施，而对遭受影响的结构进行的详细检查。应急检查的内容和方法原则上应与定期检査相同，但应针对发生异常情况或者受异常事件影响的结构或结构部位做重点检查，以掌握其受损情况。102.3隧道土建结构专项检测内容专项检测是根据经常性检查、定期检查和应急检查的结果，对于需要进一步查明缺损或病害产生原因而进行的更深入的专门检测，其目的是为了制订病害处治方案提供基础资料，更多情况是针对破损或病害局部开展的检查。检查的项目、内容及其要求，应根据经常检查、定期检查或应急检查的结果有针对性地确定。1112（1）结构变形检查（2）裂缝检查（3）漏水检查（4）材质检査（5）衬砌及围岩状况检査（6）荷载状况检査三、无损检测方法在隧道土建结构检测中的应用14无损检测的定义：在不破坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，对试件内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。隧道土建结构检测中，应根据受检结构体的物理化学性质以及检测内容、目的，选择适当的检测方法和手段。15隧道衬砌是公路隧道中关系到结构安全和运营安全最重要的土建结构，是重要的支护措施，隧道防水工程的最后一道防线，也是隧道外观的直接体现者。隧道衬砌质量的好坏对隧道的长期稳定，使用功能的正常发挥以及外观美均有重大影响。隧道衬砌常见的质量问题有：混凝土开裂和内部缺陷、混凝土强度不够，衬砌厚度不足，混凝土结构不密实，背后存在空洞和钢筋锈蚀等等。3.1衬砌结构材质状况的无损检测方法16通过衬砌材质的检查，了解其是否满足结构性能、受力稳定性、结构耐久性等，同时通过检查掌握材质是否存在劣化的作用环境和劣化发展速度。衬砌材质检测包括混凝土和钢材两种材料的检测，有混凝土强度、钢筋锈蚀程度以及对钢筋腐蚀活化作用的各种影响因素（如衬砌混凝土碳化深度、氯离子含量、电阻率和保护层厚度）的检测等。3.1.1衬砌混凝土抗压强度检测常用混凝土强度无损检测方法：回弹法、超声法和超声回弹综合法。有资料表明，若以95%可信度水平来衡量现场混凝土强度预测的最大精度，超声法误差约为±20%，回弹法±25%，综合法±15%以内。17与单一回弹或超声法相比，综合法具有受混凝土龄期和含水率的影响小，测试精度高、适用范围广、能较全面反映结构混凝土整体实际质量等优点，在工程质量事故的处理和鉴定中广泛应用。18隧道中强度检测的特点和改进方法在隧道中，只有单一测试面，无法进行声速的对测或斜测。因此，在隧道衬砌混凝土抗压强度无损检测中的回弹法、超声法、超声回弹综合法等均只能反映衬砌表层混凝土的抗压强度。改进方法：①钻芯修正②声速测试时保持同一测距且不大于1m③测区数量和位置考虑隧道衬砌施工工艺等193.1.2钢筋锈蚀电位检测20•钢筋锈蚀是影响结构物耐久性的主要因素之一，钢筋锈蚀程度逐步严重直接影响到结构物的安全使用。•半电池电位法是指利用混凝土中钢筋锈蚀的电化学反应引起的电位变化来测定钢筋的锈蚀状态。通过测定钢筋/混凝土半电池电极与在混凝土表面的铜/硫酸铜参考电极之间电位差的大小，来评定混凝土中钢筋的锈蚀活化程度。2122检测实例23测区共检测20个测点，检测数据矩阵和等值线图-260-240-240-220-200-200-180-180-160-160-160-160-160-160-160-140-140-140-140-140-120-120-120-100x(cm)y(cm)010203040506070800510152025303.1.3混凝土中氯离子含量的测定与评定24混凝土中的氯离子可诱发并加速钢筋诱蚀，测量混凝土中氯离子含量可间接评判钢筋锈蚀活化的可能性。混凝土中氯离子含量越高，钢筋发生锈蚀的可能性越大。氯离子含量测定方法比较简便的有两种：试验室化学分析法和滴定条法。滴定条法可在现场完成氯离子含量的测定。因需要钻芯取样进行测试，方法不是严格属无损检测的范畴。253.1.4混凝土碳化深度检测与评定26配筋混凝土构件中的钢筋通常由于碱性混凝土环境的保护而处于钝化状态，混凝土碳化将造成钢筋失去碱性混凝土环境的保护，钢筋就易发生锈蚀。通过测试混凝土的碳化深度，并结合钢筋保护层厚度状况，可评判混凝土碳化对钢筋锈蚀的影响。测试方法：酸碱指示剂（酚酞溶液）法3.1.5钢筋分布及保护层厚度检测与评定27混凝土对钢筋的保护作用包括两个方面：一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜;二是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水分等渗入的阻止作用。后一种作用主要取决于混凝土的密实度及保护层厚度。因此，混凝土保护层厚度及其分布均匀性是影响结构钢筋耐久性的一个重要因素。28钢筋分布及保护层厚度的计算与评定检测方法：电磁感应法和雷达法3.1.6混凝土电阻率的检测与评定29混凝土电阻率反映了混凝土的导电性能，可间接评判钢筋的可能锈蚀速率。通常混凝土电阻率越小，混凝土导电的能力越强，钢筋镑蚀发展速度越快，扩散能力强；混凝土电阻率大，若钢筋发生锈蚀，则发展速率慢，扩散能力弱。因此，测量混凝土电阻率是对钢筋状况进行检测评定的一项目重要内容。被测构件或部位的测区数量不宜少于30个30混凝土电阻率四电极阻抗测量法3.1.7超声波法检测混凝土缺陷31结构混凝土缺陷主要涉及的检测内容包括：混凝土内部空洞和不密实区有位置与范围、裂缝深度、表层损伤厚度、以及不同时间浇筑的混凝土结合面的质量等等。常见的检测方法有地质雷达法、冲击-回波法、超声波法等。超声波法是最常用的一种方法。32（1）基本原理（2）判断的基本依据：•1）声时（声速）•2）波幅的变化•3）主频（或频谱）的变化•4）波形畸变33（3）测试方法测试方法总体分为两类：第一类采用厚度式换能器（平面探头）进行平面测试；第二类采用径向振动式换能器进行钻孔测试。平面测试方法有对测法、斜测法和单面平测法。混凝土不密实区和空洞、结合面质量检测采用对测法或斜测法，或两者相结合。表层损伤一般采用单面平测法。3435（4）混凝土不密实区和空洞检测测试方式及要点①判断的声参量变化为：声时延长，声速降低，波幅下降，主频降低，波形畸变。②超声测缺的二个特点：间接测量、对比性测试—多点测试③对声参量要区分正常的离散和由缺陷引起的异常必须要有一个量化的判定标准。④采用数量统计确定异常点，之后多参量综合分析并结合现场施工情况作出最后的判定。36（5）结合面测试及判定要点37（6）表面损伤层厚度测试要点：当T、R较近时，首波声时对应由损伤层传播的声波，当T、R间距加大时，首波声时为由正常砼传播的声波。分析步骤：①作时-距图：拐点前为损伤混凝土“时-距”图，拐点后为无损伤混凝土“时-距”图。②利用拐点前后直线的斜率求出各层砼的声速值，计算损伤层厚度。3.2裂缝检测38•运营隧道衬砌裂缝是最常见的病害类型，裂缝检测也是隧道结构检测的重要内容。隧道衬砌裂缝包括受力裂缝、沉降裂缝、混凝土收缩裂缝等等。裂缝发展可能导致衬砌局部失稳、坍塌、掉块，威胁隧道运营安全。同时，有水区域的隧道，衬砌裂缝可能会出现渗漏水，对衬砌结构混凝土及钢筋产生锈蚀，对结构强度和稳定性产生不良影响，诱发新的裂缝产生，形成恶性循环，加速隧道衬砌结构破坏。3.2.1常规裂缝检测常规的裂缝位置、方向、长度、宽度检查，一般用直尺、游标卡尺、裂缝计、裂缝测宽仪等检测。393.2.2裂缝深度超声波法检测根据测试面的条件，可以分为单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法（局部破损法）。3.2.2.1单面平测法当结构的裂缝部位只有一个可测表面，估计裂缝深度又不大于500mm时，可采用单面平测法。平测法：包括相位反转法和传播时间差法两种。40（1)相位反转法相位反转法正是基于当发射（接收）探头与裂缝的距离与裂缝深度相近时，接收信号的初始相位会发生反转。该方法只须移动探头（换能器）,确定首波相位反转临界点，就可确定混凝土的裂缝深度。与其它混凝土裂缝深度检测方法相比，具有无需通过公式计算，简单直观的特点，有一定的实用价值。41（2)传播时间差法本方法就是通过测试声波在有裂缝位置和没有裂缝健全部位传播的时间差来推定裂缝深度的。裂缝深度越大，传播时间差也越长。42传播时间差法概念检测步骤：1）不跨缝时声时测量。做时距曲线-准确测试混凝土波速。2）跨缝时声时测量3）深度计算及裂缝深度确定43444）平测法测试裂缝深度的误差原因分析①接触面/充填物的影响45②接受信号能量的影响46③初始波成分（类型）不明的影响3.2.2.2双面斜测法47当结构裂缝部位具有两个相互平行的测试表面时，可采用双面穿透斜测法检测。裂缝深度判定：当T、R换能器的连线通过裂缝，根据波幅、声时和主频的突变，可以判定裂缝深度以及是否在所处断面内贯通。3.3渗漏水检查与检测48渗漏水也是公路隧道最常见的病害之一，渗漏水与衬砌裂缝经常相伴出现，共同影响衬砌结构的安全性和耐久性。渗漏水检查常用工具有：数码相机、pH试纸、量桶或量杯、秒表、水样收集容器、温度计、导电计等渗漏水检查可分为简易检测和水质检测两类。3.3.1简易检测49（1）位置、（2）范围（3）漏水状态和漏水流量检查50（4）浑浊程度（5）pH值:漏水是助长衬砌材质劣化的原因之一，特别是当漏水显示出强酸性时，混凝土有严重劣化的危险。检查时，一般使用pH试纸对漏水的酸碱度作简易测定。3.3.2渗漏水水质检测51（1）温度检测（2）pH值及水质分析3.4隧道净空断面变形检测52外荷载作用所致衬砌变形、移动、沉降等一般为逐渐变化。通过对隧道断面净空检测，掌握隧道断面形状的变化情况。检测内容包括：观测点变形测量、净空断面检测等。（1）观测点变形测量通过独立设置的永久固定控制点（基点），利用经纬仪、水准仪或全站仪对隧道路面的观测点、路沿和衬砌边墙或基础沉降与变形进行测量。53（2）净空断面检测检测隧道净空断面实际轮廓，检查是否存在侵入设计内轮廓线，是否侵入建筑限界。激光断面仪法、隧道立体全扫描—隧道三维激光扫描仪。断面仪测量初支轮廓图3.5隧道衬砌质量雷达检测54直接钻孔法除了有不能以点代面的局限性外，钻孔会击穿防水板造成隧道地下水的渗漏，因此很少使用。无损检测方法主要有两种：地质雷达法和声波法(冲击回波法、反射波法)。地质雷达具有检测速度快、分辨率高、结果图像直观等优点，是衬砌无损检测的主要方式、本节介绍下地质雷达法检测。3.5.1地质雷达检测基本原理目标体深度（位置）计算如下式：Z=v×t/2.553.5.2隧道衬砌雷达检测内容隧道初支：喷射混凝土厚度、喷射混凝土背后是否存在空洞和不密实区、拱架分布（间距及数量）。二衬：混凝土厚度、钢筋分布、混凝土内部是否存在不密实、蜂窝、离析等缺陷，以及衬砌背后