隧道衬砌强度检测技术研究

彭 小 庆

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)



隧道衬砌强度检测技术研究

彭 小 庆

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

介绍了衬砌施工强度检测技术的发展历程，分析了超声回弹综合法检测隧道衬砌强度的原理，并阐述了该检测方法在实际工程中的应用，为隧道衬砌施工强度的检测与控制提供了依据。

隧道，衬砌施工，强度检测，超声回弹综合法

0 引言

近年来，随着我国高速公路和铁路工程的大量建设，隧道工程发展迅速，对隧道的建设和运营质量提出了更高的要求。但由于我国隧道建设起步较晚，经验欠缺，且隧道技术的难度和要求高，导致隧道在建成运营过程中常出现一些病害问题，比如隧道二次衬砌开裂、渗水、净空缩小、路面起伏不平等。其中，二次衬砌质量问题对隧道工程的建设及运营质量起着非常重要的作用，在衬砌工程中常出现的问题有衬砌侵限、厚度不够、强度不足、钢筋缺失、混凝土蜂窝、背后及内部存在空洞及不密实等。因此，在隧道二次衬砌工程中，迫切需要采取高效的检测技术对隧道衬砌质量进行检测，以实现对隧道衬砌质量的有效控制。为全面研究隧道衬砌施工强度检测技术，本文首先分析隧道衬砌强度检测技术的发展历程，然后重点分析目前应用最为先进的技术——超声回弹综合法，并在此基础上，依托四川某隧道工程实例，分析超声回弹综合法的应用，为我国隧道衬砌施工强度检测技术的发展提供参考。

1 衬砌施工强度检测技术的发展历程

对于隧道衬砌强度检测，钻芯取样法是一种最直接、稳定、可靠的方法，然而，这种方法存在施工不便、成本较高、导致衬砌局部破损以及影响外观等缺点，不利于其进行广泛的推广应用。常规的预留试块法也是一种检测隧道衬砌强度的技术，但由于施工工艺复杂、养护困难，同时受到试件数量和尺寸的限制等原因，极容易影响检测结果的可靠性，并不能有效的反映隧道衬砌混凝土的强度。

随着我国检测技术的发展，回弹检测法作为一种重要方法，在工程检测中被大量推广应用，主要是由于回弹法的试验检测费用较低，工艺简便，且不受构件特征约束。但是，回弹法存在许多的缺点，如检测结果与实际抽芯试压值结果对比区别较大，造成这一原因的影响因素较多，如测试角度、混凝土的浇筑面、模板的材料特征、养护时间和环境等。其中，造成回弹法检测结果存在误差的最主要原因是由回弹法的检测原理造成的，回弹法主要是通过混凝土的抗压强度与混凝土的表面硬度的关系来获取混凝土的强度，但是在养护中混凝土的氢氧化钙组分易与空气中的二氧化碳发生反应，形成碳酸钙，导致混凝土表层硬化，这大大影响了回弹法的检测精度，使得回弹法检测结果仅仅反映的是混凝土表层厚度约3 cm的强度，而不能有效反映混凝土的内部强度。

另一种检测隧道衬砌强度的技术方法为超声检测法，这种方法已在隧道检测系统中得到广泛的应用。顾名思义，超声法是利用超声波检测仪，借助混凝土中超声脉冲波的传播速率，通过获取各种声学参数以及计算不同声学参数之间的关系，得出混凝土结构中的缺陷问题，这一方法施工简便，且准确率较高。

超声回弹综合法则集合了回弹法与超声检测法的优点，互相弥补不足，相辅相成，是目前国内外研究最多、应用最广泛的混凝土强度检测方法。

2 超声回弹综合法检测隧道衬砌强度

回弹法容易受到混凝土龄期的影响，在混凝土龄期低的情况下，混凝土表层潮湿，所得到的回弹值结果偏小，相反，随着混凝土龄期的不断增大，混凝土表层发生反应造成表面硬化，导致回弹值偏大。对于超声检测法来说，混凝土的龄期低时，由于混凝土潮湿，使得超声波传播速度偏大，而在混凝土龄期高的情况下，混凝土内部结构干燥，超声波的传播速度偏小。因此，结合以上两种方法的优缺点，诞生了一种全新的、更加高效、精度更高的混凝土强度检测法，即为超声回弹综合法。

超声回弹综合法为通过借助低频超声波检测仪和回弹仪，检测混凝土构件的同一测区位置，获取超声波的传播速度和回弹值，然后根据反映混凝土强度与其之间关系的公式，计算得出混凝土的强度。我国规范要求的混凝土强度计算公式如下:

(1)

其中，fi为结构或构件第i个测区混凝土抗压强度换算值；Vai为修正后结构或构件第i个测区混凝土声速代表值；Rai为修正后结构或构件第i个测区混凝土回弹代表值；a，b，c均为不同粗骨料的品种系数。若粗骨料为卵石，则a=0.003 8,b=1.23,c=1.95；若粗骨料为碎石，则a=0.008,b=1.72,c=1.57。

1)回弹值与超声声速值的处理。

在超声回弹综合法检测隧道衬砌强度过程中，首先对检测区测算16个回弹值结果，然后分别去掉3个最大和最小值，最后根据剩下的10个检测值计算回弹代表值，采用公式如下：

(2)

式中：R——测区回弹代表值；

Ri——第i个测点有效回弹值。

在对混凝土浇筑方向的侧面对测时，应选取3个测点获取相应各点的声速值，然后根据式(3)推算得到该测区的声速代表值。

(3)

式中：V——测区混凝土中声速代表值，km/s;

li——第i个测点超声测距，mm；

ti——第i个测点的声时读数，μs;

t0——声时初读数，μs。

2)回弹值与超声声速值的修正。

在隧道衬砌工程中存在很多复杂的应力作用，因此在很多情况下，根据式(2)，式(3)所得出的结果是不适用的，所以，在实际的工程应用中，应在以上的处理结果基础上，对所得到的回弹值和超声波速度值展开进一步的修正。

如果采用回弹仪进行衬砌混凝土检测时不在水平状态，或者不是检测混凝土浇筑的侧面，在这种情况下，需对所得到的回弹结果数据实施角度修正，并进一步做顶面或者底面修正，从而得到最终的回弹代表值Rai。

如果检测区是对混凝土浇筑的顶面和底面间对测或斜测，需修正测区的超声声速值，修正后的数据则为声速代表值Vai。

最后，将修正后的回弹值与超声声速值代入测强公式，计算得到衬砌混凝土的强度。

3 工程应用实例分析

3.1 工程概况

为进一步分析实际工程中超声回弹综合法的应用效果，选择我国四川某高速公路隧道工程，该隧道为分离式隧道，东西走向，双向四车道，设计速度为80 km/h，隧道里程为K86+903～K88+340，隧道总长1 437 m，最大埋深115 m。

隧道洞身结构采用新奥法施工原理设计，即以系统锚杆、喷硷、钢筋网、钢架组成初期支护与二次模筑硷相结合的复合衬砌型式。当二次衬砌施工结束后，借助超声回弹综合法对衬砌强度实施检测，以检控隧道的衬砌强度。

3.2 隧道衬砌强度检测结果分析

在隧道混凝土达到龄期后，采用超声回弹综合法选取隧道右洞K87+025～K87+085段进行混凝土强度检测，以评价隧道的衬砌强度，检测结果如表1所示。

根据表1得到的隧道衬砌混凝土抗压强度值，对测区不小于10个的混凝土抗压强度按平均值与标准差处理。如果混凝土强度等级大于C20，且标准差小于5.5 MPa，则衬砌构件测试段作为一批混凝土强度；如果测区小于10个或标准差大于5.5 MPa，则根据最小值原则，按单个构件推算混凝土强度。混凝土强度的推定结果见表2。

表1 二次衬砌混凝土强度检测结果

表2 二次衬砌混凝土强度检测成果表

根据以上内容，在采用超声回弹综合法检测隧道右洞混凝土衬砌强度时，共有14个测区，测试值为26.27 MPa～38.35 MPa，混凝土强度推定值为25.86 MPa，高于设计要求中的C25混凝土强度，隧道衬砌强度符合要求。

4 结语

本文首先分析了隧道衬砌强度检测技术的发展历程，对目前应用最为先进的技术——超声回弹综合法进行了重点介绍，并在此基础上，依托四川某隧道工程实例，分析了超声回弹综合法的应用。而在实际工程应用中，由于非金属超声仪在检测泵送混凝土强度时规避误差的效果不是很好，有时难免会出现一些较大误差，如果存在较大误差，则需根据现场情况，进行对比实验对回弹结果实施修正，有条件的情况下，最好建立有针对性的测强曲线，有利于进一步提升修正后回弹值的准确性。

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[3] 周 伟.隧道衬砌施工质量快速检测与评价[J].北方交通，2014(4)：108-110.

[4] CECS 02∶2005，超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].

On detection technique for lining strength in tunnels

Peng Xiaoqing

(ShanxiCommunicationsInstitute,Taiyuan030006,China)

The paper introduces the development of the detection technique for the lining construction, analyzes the principle for adopting the ultrasonic-rebound combined method in the detection of the tunnel lining strength, and illustrates its application in the projects, so as to provide some reference for the detection and control in the tunnel lining construction.

tunnel, lining construction, strength detection, ultrasonic-rebound combined method

1009-6825(2016)24-0167-02

2016-06-11

彭小庆(1984- )，男，工程师

U451.4

A