1、現場鑽孔法
2、襯砌混凝土強度檢測回彈法
混凝土是隧道工程建設使用最為廣泛的建築材料。混凝土質量的優劣影響到隧道襯砌結構的適用性、安全性和耐久性,並直接制約著隧道工程經濟和社會效益的發揮。混凝土襯砌的質量檢控中,強度保證是基本要求。
但是混凝土作為多相、多組分的複雜材料體系,在製造過程中,其強度易受到配料、攪拌、成型、養護等多種工藝環節的影響,如技術疏忽或管理不嚴,便極易造成質量隱患,甚至釀成工程事故。因此在建隧道的施工質量檢控和已建隧道襯砌的健康診斷中,混凝土的強度檢測十分必要。
然而傳統的混凝土強度檢測方法,無論是利用與現場同條件製作、養護的預留試塊進行隧道襯砌的混凝土強度檢測,還是現場鑽孔取芯進行強度檢測,對於隧道工程而言,弊端皆十分明顯,兩者的應用前景都不甚廣闊。迄今為止,隧道襯砌強度檢測的適宜方法,國內外也鮮有報道。隨著我國高等級公路建設的迅速發展,公路隧道的數量和規模日益增加。
所以,針對隧道工程的特點,尋求安全、經濟、簡便有效的混凝土襯砌的強度檢測方法以應工程之需,具有較大的經濟價值和社會效益。本文嘗試著將回彈法、超聲—回彈綜合法引入某公路隧道襯砌的強度檢測,以期從無損檢測這一角度對這些方法進行比較研究。
（1）隧道襯砌的特點與檢測方法的建立
回彈法和超聲回彈綜合法對房屋和橋梁等建築結構的強度檢測,國家及有關部門已經頒布有相關的規範與標準,使強度檢測的精度和可靠性有了科學的程式和公認的檢測方法。而這些程式和方法都是在對建築結構的安全和可靠性評估方法、結構和材料的檢測技術、結構的設計計算分析模型進行全面深入的研究基礎上制定的。公路隧道與這些建築結構在材料、功能、力學效能和設計方法上有許多的共同點,因此回彈法和超聲回彈綜合法對建築結構進行強度檢測的程式、方法、和分析計算的基本原理可以有選擇應用到公路隧道的強度檢測當中。
但是,與常規的建築結構相比,公路隧道還具有一些自身獨有的特點。公路隧道屬於地下半隱蔽工程,跨度大,穿越的地質條件複雜多變,襯砌形式種類多。由於隧道結構和圍岩之間複雜的相互作用,襯砌的荷載分布至今都是乙個在理論上遠未解決的問題。
對於公路隧道而言,圍岩類別和襯砌形式不同的地段,襯砌內部的應力分布不同。即使在同一地段,岩層產狀和岩性的差異,也可導致隧道的不同部位如拱頂、拱腰和拱腳等,其應力分布和變形特點發生變化。實際上,公路隧道經常處於一定的地下水環境中,水往往是混凝土襯砌劣化的主要因素。
已有的回彈法和超聲回彈綜合法都是通過製備各種標號的混凝土試件,分別進行大量的回彈、超聲和單軸抗壓強度試驗,建立回彈值、聲速和強度的相關關係,得到回彈測強基準曲線和超聲回彈測強基準曲線,進而間接推定混凝土強度的。實際上,在試驗室進行回彈和聲速測試時,都是在試件含水量可控制的範圍內和零應力狀態下測試的,而公路隧道卻相反,它總是處於一定的應力狀態和含有一定的地下水。由於這些基礎條件的差異,在隧道混凝土強度檢測中,鑽芯法必不可少,它的結果直觀、準確、代表性強,可用來對回彈法和綜合法結果進行校正,以提高檢測的可靠性。
但是,鑽芯法屬於半破損檢測方法,隧道襯砌是隧道工程主要的承重結構和最後的防水措施。對襯砌鑽孔,必然造成結構的區域性損傷,可影響到襯砌的整體性和剛度,也影響著隧道的美觀,且造價昂貴。故鑽孔數量不能太多,難以用來對整條隧道進行綜合評判和推定,只能用於對回彈法和綜合法進行強度校核,對混凝土的強度檢測起著以點控面的作用。
由於公路隧道只有乙個面暴露在外,其內部缺陷和潮濕程度等無法觀察,回彈法和綜合法測試時只能採取沿面測試方法,這也加大了測試工作的難度。在橫斷面上,公路隧道襯砌按同一模板長度澆注成型,在整個橫斷面上形成完整的拱圈。所以,拱圈是隧道襯砌的基本結構,在公路隧道混凝土襯砌的強度檢測中,以同一橫斷面上的拱圈為檢測單元,是回彈法和綜合法的首選方式。
對於隧道而言,拱頂、拱腰和拱腳是關鍵的受力部位,其強度的滿足與否,直接關係到結構的變形大小與穩定性,故橫斷面的強度檢測中,應分別將它們作為獨立的測區,進行單獨評價。
回彈法是混凝土強度無損檢測的一種基本方法。它是通過回彈值測試混凝土表層硬度(主要是砂漿部分的強度)來由表及裡地間接推定混凝土強度的。它操作簡便,重複性強,**便宜,對襯砌質量不產生破壞,在檢測混凝土的勻質性方面優勢明顯。
但是,回彈法也有其不足之處,如低強度混凝土,受力時易產生塑性變形,表面彈性不足,對回彈法測強不敏感。對於內外質量不一的混凝土,回彈法測強結果只能代表襯砌表層一定深度範圍內的混凝土。不同型號的回彈儀,測試厚度不一,現場測試時,必須根據襯砌厚度靈活選用合適的回彈儀。
超聲回彈綜合法是利用低頻超聲波儀和回彈儀對結構或構件同一測區進行原位聲速和回彈測試,利用已建立起來的全國統一測強曲線,推算該測區混凝土抗壓強度的一種方法。較之於單一的回彈法和超聲法,綜合測強法具有明顯的優勢。襯砌混凝土的齡期和含水率都對回彈值和聲速有著明顯的影響,但在綜合測強方法中,齡期、含水率兩個因素對回彈值和聲速的影響卻能在相當程度上相互抵消,從而能較大地提高強度測試的準確性與可靠性。
如上所述,回彈法對低強度混凝土測試不敏感,單純的聲速法卻對高強度混凝土反映不靈敏,而將兩者結合起來的超聲-回彈綜合法,既能將混凝土內外質量檢測結合起來,又能在較低或較高強度區彌補各自的不足,所以,綜合測試能較全面地反映混凝土襯砌的整體質量,提高無損檢測混凝土強度的精度。
(2) 工程應用及結果分析
某隧道全長656m,於2023年底建成通車。隧道設計為雙向四車道,進出口洞門均採用翼牆形式,洞身支護形式為曲牆式。隧道襯砌採用模板澆注,插入式振搗器振搗,設計強度為c20。
該隧道襯砌表面蜂窩、麻麵較為常見;隧道輪廓異形現象比較多,內凹或外凸較為明顯;多數地段的橫斷面輪廓也不甚平整光滑,模板縱橫縫間的錯位較嚴重;在整個長度範圍內,隧道混凝土襯砌的開裂和滲漏水等病害較為發育,區域性區段比較嚴重,主要集中在隧洞進出口部位和隧道右側,有的地段甚至已影響到了隧道內行車的安全。為了查明隧道病害的成因,對其安全狀況作出綜合評價,對該隧道的混凝土襯砌進行了回彈法和超聲回彈綜合法強度測試,並在區域性地段布置鑽孔,採用鑽芯取樣進行了強度試驗,以配合無損檢測工作。
針對隧道工程的實際特點,隧道監測共布置了5條測線,包括左右拱腳(2條)、左右拱腰(2條)和拱頂(1條)。具體測試時,在同一里程處的檢測工作以隧道橫斷面為測試單元,沿測線共布置了19個測試單元,使其在隧道所處的各類圍岩和襯砌型別中均有分布,具有代表性;並在出口段等重點部位加密,確保研究工作的可靠性及測試精度。在每個測試單元內,共布置了5個測區,具體為:
左、右拱腳各1個測區(各含2個測點),位於人行蓋板上方0.6-0.8厘公尺處;左、右拱腰各1個測區(各含2個測點),分布在人行蓋板上方2.
6-2.8公尺處;拱頂1個測區(含2個測點)。
回彈測試過程和資料處理,均按《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(jtj/t23-2001)嚴格施行。在回彈測試工作的基礎上,按《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》(cecs 02:88)的要求,進行了相應各測點的聲波測試工作。
聲波測試採用沿面測試方法,將接受和發射換能器置於隧道襯砌的測區表面的同一高程,逐步增大距離,測出穩定的波速,將這一速度作為測區的聲速。按《鑽芯法檢測混凝土強度技術規程》(cecs 03:88)的要求,也選取了回彈和綜合測強法測點所在部位的混凝土襯砌,進行了芯樣鑽取和強度試驗工作。
對於隧道工程而言,同一隧道的不同地段,由於圍岩類別和襯砌形式的變化以及施工方法的不同,襯砌質量在一定範圍內出現差異是正常的。某些情況下,即使是同一斷面的不同部位,由於岩層產狀的影響,也可導致襯砌內部應力狀態和變形的顯著不同,從而影響測強結果的一致性。該隧道於2023年建成通車,當時,還未建立正式的監理制度,施工質量缺乏監督。
所以,某一位置的鑽孔岩芯,代表的襯砌區域是有限的,不宜過多外推。從同一測區的測試結果來看,回彈法、超聲回彈綜合法的所得結果,在某些地段雖跟鑽芯法有一定出入,個別測區甚至有較大差異,但總的說來,兩種無損方法的結果,基本上是在鑽芯法測值附近分布,在工程允許的範圍內波動。並且,在大多數地段,三種方法的檢測結果還是比較接近的。
如里程520m左拱腳處,回彈法和綜合法結果為17.9mpa、18.5mpa,與鑽芯法結果18.
1mpa相當一致,差幅分別為-1.1%和2.2%。
里程580m左拱腳處,回彈法、綜合法、鑽芯三種方法的結果也是非常相似的,分別為26.9 mpa、25.4 mpa,25.
3 mpa,兩者較之於鑽芯法結果,其波動幅度分別為6.3%和0.4%。
鑽芯法和回彈、綜合法的結果相一致表明,回彈法和超聲回彈綜合法的正確應用,是可以用來檢測隧道混凝土襯砌的強度的,並且可以保證其精度和可靠性。
根據設計資料,該隧道襯砌混凝土為200號防滲混凝土,相當於新規範c18的混凝土。因此,如果各測點由回彈法、綜合法或鑽芯法獲得的推定抗壓強度或混凝土強度代表值大於或等於18mpa,即可判定該處混凝土強度為合格。由強度分布圖可以看出:
從判定混凝土強度是否合格這一角度來看,三種方法的檢測結果是完全一致的,回彈法和綜合法評價結果與相應的鑽芯法並沒有差別。就整體而言,不同檢測方法的測試結果都表明,隧道襯砌的強度大都滿足設計要求,達到了18mpa。但區域性地段的強度明顯不夠,最小的僅有10mpa,遠未達標。
如里程360m~500m範圍內的左拱腳、左拱腰部位和440m處的右拱腰部分,三種方法所得的強度都遠小於18mpa,判定結果為該處襯砌強度不合格,三者結論全部一致。同時,對該隧道的現場調查、地質雷達和斷面輪廓測試資料的研究表明:隧道襯砌強度的檢測結果,其分布規律同變形形式、裂縫的分布情況和襯砌滲漏水特點是比較一致的。
這一結論,從另一方面,也反證了回彈法和超聲回彈綜合法在襯砌強度檢測方面應用的可靠性和精度。
(3) 回彈法操作要點
1）檢測時回彈儀軸線始終垂直於測區所在區；
2）測區範圍0.2*0.2m2，測點均勻布置；
3）每測區取16個回彈值，每個讀數精確到1；
4）回彈值的確定：16個值中，剔除3個最大值、3個最小值，求其平均值；
5）在有代表性的測區進行碳化深度測定，一般不少於30%的測區；
6）碳化深度試驗所用的溶液為1%的酚酞灑精溶液；
7）對回彈值影響最大的因素是碳化和齡期；
8）回彈值的率定值為80±2
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