张花高速衬砌混凝土质量检测技术及锚杆检测技术的探讨

王木群

(中南大学,湖南长沙 410075)

1 隧道传统检测及无损检测概述

山岭隧道质量检测传统方法是对隧道断面上进行抽样,选取检测测点(或者测线),采用钻孔或开槽的方法,观测衬砌施工的质量。由于其对检测测点处的衬砌厚度、衬砌强度、衬砌中的缺陷以及衬砌后脱空的判断直观且准确无误,在隧道衬砌质量检测中得到了长期的应用。但由于这种检测方法速度较慢,效率较低,会对隧道结构造成损伤,甚至使隧道的防水系统遭到破坏,造成严重后果。另外,大量抽样对结构受力不利,少量抽样代表性差,检测结果往往不能反映隧道整体质量情况,难以做出全面而准确的评价。

隧道工程质量的无损检测技术是指在不影响结构或构件性能的前提下,通过测定某些适当的物理量来判断结构或构件某些性能的检测方法。无损检测技术有着比常规检测方法更为突出的无破坏性、随机性、远距离探测、现场检测等特点,而且检测数据可连续采集,并通过数理分析和逻辑判断,能够比较准确地推断出工程质量的状况,从而弥补以往质量控制中的观感检查和仅靠外型质量控制来推断工程质量的不足。常用的无损检测方法包括声波反射法、冲击回波法、超声—回弹综合法、瞬变电磁法和多频电磁法等。此外,还有红外线温度记录法、机械振动法、射线技术法等。

2 隧道混凝土衬砌的检测

衬砌工程检测部位主要是拱顶、左右拱腰、左右拱脚和左右边墙,主要内容为衬砌混凝土强度等级,衬砌混凝土厚度以及内部裂隙、空洞和背后回填密实程度。

2.1 地质雷达法检测衬砌混凝土厚度与内部质量

2.1.1 探地雷达法原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)是一种新型的无损检测仪器,是一种利用高频电磁波探测结构工程质量的无损检测方法。该方法利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式,通过发射天线定向送入探测体,经过存在电性差异的介质反射后返回,被接收天线接收。接收天线在接收到回波后,直接传输到接收机,信号在接收机经过整形和放大等处理后,经电缆传输到雷达主机,经处理后,传输到微机。在微机中对信号依照幅度大小进行编码,并以伪彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来,经滤波等数字处理后,可用来判断探测体的深度、大小和方位等特性参数。

2.1.2 衬砌混凝土厚度的检测

探地雷达系统检测衬砌厚度原理如图1所示。图1描述了探地雷达系统的工作方式,并给出了电磁波反射工作图示,用来说明衬砌厚度的检测原理。

发射天线T发射电磁波经反射被接收天线E接收,通过雷达反射图像的分析确定反射层,来测定反射波的双程走时t,从而确定衬砌围岩界面距离衬砌表面的距离即衬砌厚度。根据原理图1可得脉冲波旅行时间与衬砌厚度的关系式为:

图1 探地雷达系统检测衬砌厚度原理示意

式中:z为反射层厚度即衬砌厚度;x为收发距即接收与发射天线中心的距离,是与天线有关的定值;v为电磁波在介质中的传播速度;c为电磁波在空气中的传播速度;ε为介电常数。

常用的介电常数见表1。

表1 不同物体的介电常数表GHz

当电磁波在地下介质中的波速为已知时,可以根据精确测得的双程走时,由下式求得衬砌的厚度为:

2.1.3 衬砌混凝土质量的检测

衬砌混凝土质量检测原理如图2。

图2 衬砌混凝土质量检测原理示意

1)衬砌混凝土与围岩结合的判识。由于衬砌混凝土与围岩之间的介电常数差异较小,如果结合状态较好、无空隙,则地质雷达图像上不会有特别明显的反射信号,在图像中表现为振幅较弱的界面反射信号,甚至没有反射信号。

2)衬砌混凝土内空洞的判识。由于空气与混凝土的介电常数差异较大,如果有明显的空洞,则在地质雷达图像中表现为衬砌界面反射信号增强,特征明显。

3)衬砌混凝土背后回填不密实的判识。衬砌混凝土背后回填不密实是介于回填密实与存在空隙之间的一种情况,在地质雷达图像上表现为衬砌混凝土界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形,且不连续、无规则、较分散,说明衬砌混凝土背后局部存在空隙或空洞。

2.2 工程实例

2.2.1 舒家湾隧道初期支护空洞检测

舒家湾隧道初期支护质量的雷达检测中,主要的质量问题就是存在空洞。图3就是从右洞Zk18+846～Zk18+879段雷达检测图像中截取的存在异常波形的图像片段。

图3 初期支护空洞图

结合地质资料分析截取的雷达图像片段可知,由于该段围岩破碎,且用探地雷达作初期支护检测时,受到的影响因素很多,所以出现很多回波,这些回波都被天线接受,处理后绘制出的图像比较杂乱。经过仔细分析后,认为图中不规则曲线包围起来的部分的雷达图像是由电磁波在一种介质中连续波动形成的,故判断此处存在空洞。经打孔验证,此处确实存在空洞。

2.2.2 青坪隧道二次衬砌脱空检测

在隧道的拱顶、拱腰和拱脚部位,由于重力作用和混凝土的塌落、干缩,混凝土容易在一次衬砌和围岩之间或一次衬砌与二衬之间产生空隙,甚至形成脱空现象。如果大面积的空隙存在,就成了空洞,在雷达图像上表现为很强的反射信号。在进行二次衬砌质量检测时,由于探地雷达受到的环境干扰较小,空洞的雷这图像一般较清晰,较容易判断出空洞位置所在。如图4所示,图像中杂乱曲线包围的地方存在空洞。

经打孔验证,此处有一最大深度约0.6 m,范围约3m的大空洞。此处必须进行处理,否则会给隧道运营带来不安全隐患。

图4 二次衬砌脱空图

图5 锚杆声波测试系统布置图

3 锚杆的检测

锚杆是将破碎或不稳定岩体(块)与牢固稳定的岩体连接在一起以提高整体稳定性的一种支护措施。当锚杆发挥作用时,锚杆不同部段的功能各不相同。锚杆内端处于牢固稳定岩体的部段,其锚固力主要起着固定锚杆的作用;而锚杆外端处于破碎或不稳定岩体的部段,其锚固力主要起着将该段岩体(块)与锚杆连接在一起的作用。要让锚杆能发挥设计的效果,除保证锚杆的长度满足设计要求外,还要使各段都能均匀而有效地与岩体锚固在一起。

3.1 锚杆长度及注浆饱和度检测

锚杆长度及注浆饱和度均采用应力反射波法检测,检测原理如图5所示。

1)锚杆长度检测。应力反射波法是一种无损检测方法,该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。在锚杆顶部激发弹性应力波,当弹性应力波传播到锚杆底部时,由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异,将产生反射波回到锚杆顶。

式中:vc为锚杆中应力波传播速度;t为应力反射波的双程走时。

根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以用公式(4)求出锚杆长度L,锚杆中的应力波传播速度可在现场已知长度的锚杆上进行标定。

2)注浆饱和度检测。注浆饱和度检测通过测定锚杆不同方位,不同距离应力波的阻尼情况,即锚杆与围岩的耦合情况来判断注浆饱和度。由应力波在介质中的传播特性可知:应力波在坚硬完整的介质中传播速度大,衰减速度快,而在松散及不完整介质中应力波的传播速度小,衰减速度慢。

利用应力波这一传播特性来判断注浆饱和度情况,注浆饱满的,砂浆和岩石的耦合性好,可看成完整的介质,因此应力波的波形规则衰减快,近于指数衰减;注浆饱满程度差的,则砂浆和岩石间的耦合性差,可看成松散不完整的介质,应力波的波形杂乱,衰减慢。根据不同方向、不同部位击震的应力波衰减曲线,就可以对注浆饱和度作出判断,如表2所示。

3)锚杆拉拔力检测。

锚杆拉拔力检测如图6所示。

表2 锚固状态表

锚杆抗拔力通过拉拔试验进行检测。拉拔试验检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法。进行拉拔试验时,将液压千斤顶放在托板和螺母之间,拧紧螺母,施加一定的预应力,然后用手动液压泵加压,同时记录液压表和位移计上的对应读数,当压力或者位移读数达到预定值,或者当压力计读数下降而位移计衰读数迅速增大时,停止加压。测试后,整理出锚杆的位移—荷载曲线,进而分析出试验锚杆的抗拔力大小。

3.2 工程实例

以科洞隧道锚杆长度检测及锚杆效果检测为例。

1)自由状态的锚杆。对一根锚杆在未知长度情况下进行测试,所测波形如图7。从图中可看出波形衰减程度很小,多次锚杆底端反射十分明显。测试长度为3.90 m,和锚杆实际长度3.87m相差甚小,这证明了该方法测试锚杆长度的可靠性。

图6 锚杆抗拔力测试图

图7 自由锚杆的时域波形

2)锚固质量优的锚杆。图8是科洞隧道左墙离地4.0m高处锚杆所测波形,设计是2.50m,测得2.58m。从图中可以看出波在锚固质量优的锚固系统中衰减较快,且锚杆底端反射微弱,波形最后回归基线,说明注浆效果较好。经现场拉拔试验验证,实际长度是2.53 m,抗拔力为40MPa,证明该锚固系统质量为优。

图8 锚固质量优的锚杆的时域波形

3)锚固质量差的锚杆。图9是科洞隧道右墙离地3.5m高处锚杆所测波形,设计是2.50m,测得2.45 m。从图中可以看出,波在锚固质量差的锚固系统中衰减较慢,锚杆底端反射十分明显,波形变化规律和自由锚杆相似。经现场拉拔试验验证,抗拔力仅10 MPa,实际长度足2.47 m,最大误差为0.02 m,综合判定该系统锚固质量较差。

4 结论及建议

采用地质雷达无损检测方法,可快速有效地检测高速公路隧道喷混凝土厚度、密实度及背后的缺陷。采用超声波反射法,可以检测出锚杆的长度及注浆饱和度。用地质雷达、超声波等无损检测,其结果往往受仪器、技术、隧道衬砌和围岩状况本身的影响,实际工作中一般需要布置一定量的测点进行钻孔取芯,对无损检测结果加以验证。

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