中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
簡要闡述了隧道仰拱施工過程中存在的主要質(zhì)量問題及現(xiàn)有的檢測方法，著重討論了地質(zhì)雷達(dá)法和鉆芯取樣法的檢測原理、注意事項(xiàng)及改進(jìn)方法，并對(duì)隧道仰拱施工質(zhì)量檢測方法的選取提出了合理建議。
關(guān)鍵詞:隧道仰拱;質(zhì)量檢測;地質(zhì)雷達(dá);傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機(jī);便攜式地質(zhì)鉆機(jī)
引言
伴隨著國家中長期鐵路規(guī)劃的逐步實(shí)施，西部路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。在多山的西部地區(qū)修建鐵路“逢山鑿洞，遇河架橋”，隧道工程所占的比例越來越大。仰拱作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分，能改善襯砌結(jié)構(gòu)的受力形式，調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩分布，在提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力、安全度和耐久性，抑制圍巖內(nèi)塑性區(qū)的擴(kuò)展，約束隧道洞周位移發(fā)展等方面有重要作用［1－2］。盡管隧道仰拱對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)極其重要，但在仰拱實(shí)際施工過程中，施工質(zhì)量控制卻困難重重，主要原因:一方面是隧道仰拱屬于隱蔽性工程，有效監(jiān)管困難;另一方面是受仰拱與掌子面距離限制和上臺(tái)階施工干擾，為了保證施工進(jìn)度，施工單位經(jīng)常將仰拱與仰拱填充一次澆筑。因此，選取合適的檢測方法對(duì)隧道仰拱施工質(zhì)量進(jìn)行檢測意義重大。本文根據(jù)多年的檢測經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比分析了隧道仰拱施工質(zhì)量現(xiàn)有主要檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并就隧道仰拱施工質(zhì)量檢測方法的選取提出了合理建議，以期達(dá)到為今后隧道仰拱施工質(zhì)量檢測提供借鑒的目的。
1隧道仰拱常見施工質(zhì)量問題及現(xiàn)有的主要檢測方法
在以往的檢測過程中，發(fā)現(xiàn)仰拱施工主要存在的質(zhì)量問題有仰拱厚度不足、仰拱強(qiáng)度不夠、仰拱填充回填片石或洞渣、仰拱底部清理不徹底，有虛渣、仰拱鋼筋或鋼架間距超標(biāo)甚至缺失等［3］。這些質(zhì)量問題的存在，將會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)整體承載能力的降低，出現(xiàn)仰拱隆起、翻漿冒泥、拱墻開裂，甚至隧道整體失去穩(wěn)定等一系列影響運(yùn)營安全的事故發(fā)生。隧道仰拱施工質(zhì)量檢測與評(píng)估的方法，主要有地質(zhì)雷達(dá)法、鉆芯法、聲波法、瞬變電磁法、超聲回彈綜合法、回彈法、瑞雷波法、地震影像法及紅外線探測法等。檢測方法雖然很多，但如何保證隧道仰拱施工質(zhì)量檢測的準(zhǔn)確可靠卻一直困擾著檢測工作者們。在實(shí)際工程檢測工作中，最常用到的檢測方法有地質(zhì)雷達(dá)法和鉆芯取樣法。
2隧道仰拱施工質(zhì)量常用檢測方法評(píng)述
2.1地質(zhì)雷達(dá)法
2.1.1地質(zhì)雷達(dá)法檢測工作原理［4］地質(zhì)雷達(dá)是采用無線電磁波檢測地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為:高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射后，由接受天線接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場強(qiáng)度和波形將隨所通過介質(zhì)的介電特性及匯集形態(tài)不同而變化，并由此通過對(duì)時(shí)域波形的采集、后處理和分析，從而確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)形態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)具有分辨率高、無損傷、效率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。地質(zhì)雷達(dá)檢測采用剖面法，即發(fā)射天線(T)和接收天線(Ｒ)以固定的間距沿測線同步移動(dòng)的量測方式，量測結(jié)果可用地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖表示，其中橫坐標(biāo)記錄天線在測線上的位置，縱坐標(biāo)為反射波雙程走時(shí)，表示雷達(dá)波從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)介質(zhì)界面反射再回到接收天線所需的總時(shí)間。這種記錄能準(zhǔn)確描述測線下方各反射界面的狀態(tài)。雷達(dá)工作原理，見圖1。為確保時(shí)間剖面上各測點(diǎn)的里程位置與實(shí)際檢測里程位置相一致，在隧道左右邊墻上每5m作一個(gè)標(biāo)記，方便標(biāo)注里程時(shí)核對(duì)。在數(shù)據(jù)后處理過程中，根據(jù)標(biāo)記和記錄的起始里程進(jìn)行分析處理。襯砌界面的判釋:襯砌混凝土、噴射混凝土與圍巖(或其間脫空區(qū)域中的空氣)存在明顯的介電特性差異，因此在時(shí)間剖面圖上，混凝土襯砌底面與巖石之間有明顯的分界面。襯砌混凝土與噴射混凝土之間的介電特性也存在差別，利用介電特性的差別來判定不同介質(zhì)之間的界面。數(shù)據(jù)處理及資料解釋流程，見圖2。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到深度與時(shí)間剖面，見圖3。然后，對(duì)比設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析并得出檢測結(jié)果。2.1.2地質(zhì)雷達(dá)法優(yōu)缺點(diǎn)地質(zhì)雷達(dá)法檢測隧道仰拱，其優(yōu)點(diǎn)是儀器輕便，無損檢測，檢測速度快，能連續(xù)檢測一條測線，檢測結(jié)果代表性較高。但由雷達(dá)天線頻率決定的探測深度與分辨率是互相制約的，高頻電磁波分辨率高，而淺部損耗嚴(yán)重，探測深度小;低頻電磁波穿透深度大，但分辨率較低［5］。在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道仰拱進(jìn)行檢測時(shí)，對(duì)仰拱厚度的判斷多數(shù)基于仰拱上層鋼筋的雷達(dá)波反射信號(hào)，僅能大致推測仰拱的厚度，誤差較大，并且地質(zhì)雷達(dá)在檢測仰拱鋼筋或鋼架時(shí)，也難以定量，僅能對(duì)鋼筋或鋼架的有無進(jìn)行定性判斷。隧道仰拱實(shí)際檢測過程中，常用的天線頻率有400，200(270)MHz。270MHz天線檢測某隧道仰拱時(shí)的典型雷達(dá)圖譜，見圖4、圖5。圖4基本看不到仰拱底部的反射面，且此段落仰拱無鋼筋;圖5中因仰拱有鋼筋而可以清晰看到鋼筋反射界面，鋼筋反射界面呈一條白色反射帶，鋼筋間距無法量化，且仰拱底部仍然無法看到。圖4、圖5由于雷達(dá)天線頻率較低，故分辨率也很低。400MHz天線檢測某隧道仰拱時(shí)的典型雷達(dá)圖譜，見圖6、圖7。圖6中，由于仰拱無鋼筋而看不到清晰的反射界面;圖7中由于仰拱有鋼筋，雷達(dá)圖像能清晰看到鋼筋層反射界面，但仰拱底部反射界面仍無法看到，相比較于圖5中鋼筋層反射界面，圖7中鋼筋層反射界面要清晰很多，但鋼筋的間距仍難以量化。
2.2傳統(tǒng)鉆芯法檢測隧道仰拱施工質(zhì)量
2.2.1傳統(tǒng)鉆芯法檢測原理傳統(tǒng)鉆芯法采用地質(zhì)鉆機(jī)在擬取芯部位進(jìn)行鉆孔取芯檢測，通過量測芯樣長度來檢測隧道仰拱厚度;芯樣經(jīng)過切割加工后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，檢測仰拱混凝土強(qiáng)度;通過取芯過程中的芯樣描述對(duì)仰拱填充進(jìn)行評(píng)價(jià);通過隧底芯樣對(duì)隧道底部圍巖情況進(jìn)行檢測，判斷隧底清理是否徹底、是否有虛渣以及隧底圍巖情況。2.2.2傳統(tǒng)鉆芯法優(yōu)缺點(diǎn)傳統(tǒng)鉆芯法檢測，其缺點(diǎn)為破損檢測，且為局部點(diǎn)位檢測，代表性較雷達(dá)法較差，鉆機(jī)移動(dòng)緩慢，效率不高。但鉆芯法檢測優(yōu)點(diǎn)突出，具有測試結(jié)果誤差小、直觀，檢測結(jié)果可靠，不僅能真實(shí)反映仰拱混凝土厚度和回填情況，還可以進(jìn)一步檢測仰拱混凝土的強(qiáng)度以及對(duì)隧道底部圍巖情況進(jìn)行檢測，見圖8。2.2.3傳統(tǒng)鉆芯法改進(jìn)方法為了克服鉆機(jī)移動(dòng)緩慢，鉆芯效率不高這一問題，實(shí)際工作中可以考慮將地質(zhì)鉆機(jī)安設(shè)到小型貨車上，由此可以加快移動(dòng)轉(zhuǎn)場速度，提高工作效率，見圖9。對(duì)取芯代表性較差這一問題，還可考慮取芯時(shí)加大取芯密度，甚至可以考慮在每板施工的仰拱上隨機(jī)進(jìn)行至少一處鉆芯檢測，以增強(qiáng)鉆芯檢測的代表性。2.2.4傳統(tǒng)鉆芯法檢測隧道仰拱質(zhì)量注意事項(xiàng)(1)鉆芯部位應(yīng)根據(jù)需要合理布置，如無特殊需求，一般將取芯部位選在隧道中心水溝，既降低了對(duì)隧道施工的干擾，又方便鉆芯過程中冷卻水的循環(huán)利用。(2)鉆孔深度應(yīng)鉆至隧底。(3)鉆頭內(nèi)徑要滿足芯樣抗壓要求;鉆頭材質(zhì)最好采用金剛石，并采用濕式鉆芯，利用水循環(huán)降低鉆進(jìn)過程中鉆頭的溫度，且每次鉆進(jìn)深度不宜超過50cm，以提高芯樣鉆取質(zhì)量。(4)鉆芯前要平整場地，使地質(zhì)鉆機(jī)安放平穩(wěn)，并準(zhǔn)確獲取取芯位置處的實(shí)際標(biāo)高、隧道底部的設(shè)計(jì)標(biāo)高和鉆芯取樣結(jié)束后的孔底標(biāo)高。(5)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速根據(jù)地層軟硬進(jìn)行選擇，一般情況下使用慢速或中速，每鉆進(jìn)50～70cm倒換一次鉆桿夾持器。(6)做好鉆芯過程記錄，芯樣存放在芯樣盒內(nèi)，按鉆取先后順序存放，并做好芯樣存放記錄，記錄好混凝土芯樣里程部位、芯樣深度范圍等。(7)對(duì)取芯過程做好影像資料留存，對(duì)芯樣進(jìn)行封存。(8)鉆芯取樣結(jié)束后，及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿恢復(fù)，注漿材料建議用微膨脹混凝土進(jìn)行充填，并振搗密實(shí)，以免因鉆芯引起仰拱結(jié)構(gòu)水壞隱患。2.3便攜式地質(zhì)鉆機(jī)鉆芯法檢測仰拱質(zhì)量便攜式地質(zhì)鉆機(jī)也稱背包式地質(zhì)鉆機(jī)，便攜式地質(zhì)鉆機(jī)鉆芯檢測方法是最近才發(fā)展起來的一種新型檢測方法，也是非常具有發(fā)展前景的一種鉆芯檢測方法。其檢測原理與傳統(tǒng)鉆芯法的檢測原理基本一致，但相比于傳統(tǒng)鉆芯檢測方法，便攜式地質(zhì)鉆機(jī)攜帶方便，操作靈活、鉆孔快捷，且自帶汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，無需接入外部電源，供水系統(tǒng)有壓力瓶或小型水泵。由于便攜式地質(zhì)鉆機(jī)取出的芯樣直徑目前多數(shù)情況下只有2～3cm，按現(xiàn)行規(guī)范不能進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，因此便攜式地質(zhì)鉆機(jī)取芯僅能檢測仰拱的厚度和仰拱填充情況。便攜式地質(zhì)鉆機(jī)及現(xiàn)場取芯工作，見圖10。取出的芯樣，見圖11。
3結(jié)語
隧道仰拱施工質(zhì)量檢測方法，應(yīng)根據(jù)檢測目的選擇一種或幾種:(1)當(dāng)僅需檢測仰拱厚度時(shí)，可以考慮選取便攜式地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆芯檢測。(2)當(dāng)需要檢測仰拱厚度和強(qiáng)度時(shí)，則需要采用傳統(tǒng)地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆芯檢測。(3)當(dāng)需要檢測仰拱鋼筋和鋼架情況時(shí)，則需用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行檢測;不過地質(zhì)雷達(dá)法在檢測仰拱鋼筋或鋼架時(shí)，也僅僅能定性判斷出隧道仰拱中鋼筋或鋼架的有無或大致判斷出鋼筋鋼架的間距，而鋼筋或鋼架的準(zhǔn)確間距由于雷達(dá)分辨率與檢測深度的這一不可調(diào)和的矛盾難以確定。在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道仰拱進(jìn)行檢測時(shí)，測線應(yīng)盡量靠近邊墻位置，此位置仰拱填充較薄，可提高檢測質(zhì)量。(4)仰拱施工質(zhì)量最理想的檢測方法，應(yīng)該是在仰拱填充之前采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行檢測，這樣不僅可以檢測仰拱厚度，還可以準(zhǔn)確檢測仰拱鋼筋、鋼架的間距，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處置，把問題解決在下一道工序之前，減少返工帶來的損失。
