隧道工程无损检测技术.ppt

岩土工程测试专题之四隧道工程无损检测技术 隧道分类<按不同性质分为不同的种类>1、按地质条件：土质隧道、岩质隧道2、按埋置深度：深埋隧道埋深h≥3D浅埋隧道0.5D＜埋深h＜3D超浅埋隧道埋深h＜D3、按长度分：特长隧道L＞3000m长隧道1000m＜L≤3000m中隧道500m＜L≤1000m短隧道L≤500m4、按地理位置：山岭隧道城市隧道水下隧道2 隧道工程的无损检测主要项目包括隧道围岩特性的检测，隧道支护衬砌质量检测等；检测技术方法有弹性波(地震、声波)探测、电法、电磁波法、回弹等。3 4.1围岩特性的声波检测隧道围岩特性的检测技术中应用较多的是声波探测技术。工程岩体声波探测技术主要检测内容有岩体动力特性检测、围岩分类指标检测、隧道围岩性态的监测（如围岩松弛带检测等）、工程措施效果检测（如爆破影响带检测）、喷锚支护和注浆加固效果的检测等。4 4.1.1围岩松弛带声波检测隧道在开挖前，岩体应力处于平衡状态，开挖后出现自由空间，周围的应力状态发生变化，进行新的调整，应力重分布，既所谓二次应力效应；二次应力场性态除了与岩土体性质有关外，主要与隧道开挖的形状、尺寸以及开挖方式有关，其应力大小与隧道地区初始应力、构造背景、埋深及地下水活动等条件有关；异于开挖前的岩体，或受开挖影响范围内的岩体称“围岩”；而强度有明显降低、产生塑性变形范围的岩带称“松弛带”。5 围岩松弛带的性态和范围的确定，是隧道支护设计和评判围岩稳定的重要参数之一。过去铁道部门以普氏理论的fk值(普氏系数、拟摩擦系数)来确定所谓“坍落拱”的高度，大量的生产实践表明与实际情况有较大出入。无论是从“松动压力”或“变形压力”观点出发，松弛带之范围大小都是设计隧道和评价围岩稳定性的重要参数之一。采用声波探测技术，可以在隧道施工现场测定松弛带的性状和范围。6 松弛带的测定方法：在施工毛洞中选择代表性断面，布置若干组测孔，用单孔法或双孔法进行声测。测出隧道围岩径向的纵波速度Vp、横波速度Vs，动模量等参数，作为判断松弛带范围的依据。7 围岩不同分带，其波传播特征是：①应力升高的裂隙压密带，表现为波的相对高速区；②应力下降的裂隙张裂或松动圈，表现为相对低速区；③原岩应力状态为原岩正常的波速区。根据实测资料，典型的Vp-L曲线，大致可归纳为四种：(a)“一”型，无明显分带，围岩较完整；(b)“ㄟ”型，无松弛带，有应力升高，围岩较坚硬；(c)“厂”型，无应力升高带，有松弛带；(d)“凸”型，松弛带和应力升高均有。8 图中：Ⅰ类—松弛带，Ⅱ类---应力升高带，Ⅲ类---原岩带(a)只有Ⅲ类；(b)有Ⅱ、Ⅲ类；(c)有Ⅰ、Ⅲ类；(d)有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。9Ⅲ无松弛带 根据每个代表性横断面的Vp-L曲线，画出松弛带的范围。10 根据日本池田和彦等研究，得出弹性波测定松弛带的经验公式：①爆破法开挖：式中：R---松弛带厚度(m)；D---开挖断面宽度(m)；h--开挖断面高度；v、V---围岩、岩石试件波速(m/s)。②掘进机开挖(大约为爆破的1/2左右)③对塑性变形及膨胀围岩：11 测试注意问题传感器耦合：声波测孔的耦合有两种方法,一种是干耦合,另一种是水耦合干耦合即利用一个胶囊包在测试探头上,然后往胶囊内注水,通过胶囊内的水和胶囊橡胶和孔壁耦合,这种方法的好处是现场工作简单,工作效率比较高,但缺点也很大,这是由于孔壁没有直接和水接触,发射信号衰减很大；水耦合方法是在探头的外端加装一个阻水橡胶气囊,这样可以直接往钻孔内注水,使探头换能器直接通过水和孔壁耦合,减少发射能量的衰减。该方法现场操作比较复杂,工作效率较低,但能保证资料的可靠性。尤其适用顶孔、角孔测试。12 声波发射震源：有自发射（一发二收）、电火花、锤击自发射能量小、测距短，适用于单孔；电火花能量较大，可用于跨孔，一般需要交流电源，在洞室内难度大；锤击硐壁表面，能量大，适用单孔。跨孔孔斜校正：跨孔测试要求对穿测试孔平行,但在洞室内很难做到,当出现两个孔的方位和倾角都不一致时,就应进行孔斜校正,以保证测试成果的可靠性。13 4.1.2围岩分级指标的声波检测围岩分级声波检测中，应注意声波测试设备及工作条件的不同，跨孔法、单孔法、锤击法测试结果略有差异，各自计算的完整性系数Kv彼此相差±10%左右。目前，各行业波速划分标准不同，基本如下表：围岩类别ⅠⅡⅢⅣⅤKv＞0.750.75～0.50.5～0.350.35～0.2＜0.2Vp(km/s)＞54～53～42～3＜214 4.2隧道支护施工质量无损检测4.2.1检测内容及目的在隧道支护工程中主要应用的无损检测项目为锚杆长度、砂浆饱满度的检测和围岩注浆加固效果的检测，采用较普及的检测方法为弹性波法。国内外对锚杆施工质量的检测目前主要是拉拔试验，费时、破损性大且只能抽检。最关键的，根据锚杆的锚固作用机理，常规的锚杆拉拔试验难以反映锚固效果，也无法确认锚杆的实际长度。因此，锚固工程质量的无损检测技术的研究也就成为当今岩土工程界十分关注的问题。15 对于全长粘结砂浆锚杆，其握裹水泥砂浆的灌注饱满与否，是锚杆能否按设计要求起作用的关键因素，尽管砂浆饱满度并不等同于锚固效果，但目前是反映锚杆锚固效果最有效的指标。砂浆饱满度的检测尚处于发展阶段，有很多需要完善的地方。16锚杆长度、砂浆饱满度的检测 隧道注浆是隧道加固和止水的主要方法之一。但由于注浆工艺的可灌注性、适用性及围岩地质情况的复杂性等多种因素的影响，注浆效果并不一定都是令人满意的。为了解注浆质量是否达到预期要求，目前国内较多使用的是弹性波法、分析法(分析压浆记录)、检查孔法(压水试验、渗水试验)等。其中弹性波法由于操作方便、代表性好成为主要的无损检测手段而普遍采用。17围岩注浆加固效果的检测 4.2.2围岩注浆加固效果声波检测注浆效果主要指浆液在地层中的实际分布状态与设计的预定注入范围的吻合度及注浆后的复合岩土质参数(抗剪强度、承载力、弹性模量、渗透系数等)的提高状况，即整体物理力学指标的改善(复合岩土体的共同受力、均匀性和厚度)。在隧道工程中往往还包含堵水效果(强度、厚度、均匀性、渗透系数)。18 常规情况一般仅采用单一的注浆前后的声波纵波或横波波速的对比来进行评价，最近较常采用的是综合利用声波纵波和横波波速，及用下式换算得到有关围岩各项物理力学指标(剪切模量和动弹性模量)后，再进行评价。动剪切模量动弹性模量19 用动模量作为评定指标的优点：比单一的P波波速、S波波速更综合(同时反映P波波速和S波波速)；物理含义也更直接，如动剪切模量重点反映了剪切特性，动弹性模量重点反映了岩土体物理力学特性；比单一的P波波速、S波波速变化明显，易于误差分析。20 现场测试一般采用单孔法或跨孔法(见图)注浆前后各选代表地段分别测试。跨孔法检测精度高于单孔法，检测范围大，也易采用CT等技术进行高层次的均匀性分析21 目前存在的主要问题：评判指标与被加固的岩土体自身的物理力学特性和设计要求密切相关，难以有统一标准；隧道现场检测的难度很大，尤其是拱顶部分，配套的仪器系统有待完善；检测需钻孔，检测简便性和代表性有待提高。同时，对于土体超声波衰减严重，需电火花激振，操作难度较大。其它问题同松弛带测试。22 4.2.3锚杆长度和饱满度的检测工程锚杆有锚固型、摩擦型及全长粘结型锚杆三种，全长粘结型锚杆目前在水电工程，交通工程上采用较多。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)要求对锚固型和摩擦型锚杆须进行一定数量的原位抗拔试验，以检验锚杆的抗拔力，对全长粘结型锚杆应检查砂浆密实度，且注浆密实度大于75%为合格。锚杆饱满度检测主要针对全长粘结型锚杆。23 一、基本原理锚杆检测的应力波理论及弹性波反射原理与基桩检测原理完全一致，也是通过实测锚杆顶端加速度或速度响应时域曲线，籍波动理论分析来判定锚杆的长度及灌浆的饱满度。由于锚杆的长径比远远大于基桩的长径比，因此，该理论基础和方法更接近一维波动方程的假设条件，而且，波在锚杆这种较为均匀介质中的传播和反射情况比在混凝土非均匀介质中传播和反射更显得单纯，易于准确的判别反射波信号。24 锚杆的长度通过反射波时间可得，砂浆锚杆的饱满度涉及的理论问题较复杂，原理上应进行波阻抗分析，检测过程中一般仅通过反射波相对能量的比值来经验判断锚杆砂浆饱满度。经大量实践发现，目前锚杆检测中首波信号的振荡问题难以避免，这与锚杆头外漏、尺寸较小同时激发力较大、传感器安装稳定性等因素有关。25 二、数据分析的主要原则锚杆砂浆饱满度检测目前处于定性-半定量阶段，还没有统一的密实度(饱满度)评价分类标准。工程界一般以饱满(密实)、基本饱满(局部不密实)、不饱满(锚固段不密实)、空浆(主要部分不密实或无浆)四类分类的较多。26 饱和度检测分类评价表饱和度类别分类原则特征Ⅰ(优)锚杆周围砂浆密实度90%以上，锚固段砂浆密实，砂浆与周围岩土体密贴2L/c时刻前无砂浆缺陷反射波，锚杆底部反射不明显，信号衰减明显。Ⅱ(良)砂浆密实程度75%以上，锚固段砂浆基本密实，砂浆与周围岩土体基本密贴。周围砂浆有轻微缺陷。2L/c时刻前出现轻微砂浆缺陷反射波，但锚固段无砂浆缺陷，锚杆底部反射较明显，信号衰减较明显Ⅲ(合格)砂浆密实程度＜75%，锚固段砂浆不密实，砂浆与周围岩土体不密贴。周围砂浆有明显缺陷。有明显缺陷反射波Ⅳ(不合格)砂浆密实程度＜75%，锚固段砂浆不密实或空浆，砂浆与周围岩土体脱贴。2L/c时刻前出现严重砂浆缺陷反射波或周期性同相反射波，或锚杆底部出现周期性同相反射波27 目前存在的主要问题：对于锚杆饱满度，检测理论尚处于定性-半定量阶段；对锚杆评定标准无明确规定，相关检测数据尚需系统积累；对空心锚杆、其他材质锚杆无成熟经验，只有通过现场对比试验，作出相对性判断。28 三、检测曲线特征分析锚杆检测方法是利用锚杆的螺纹钢外露端,在其端部安放接收换能器。用锤敲击锚杆端部产生激发波,激发波沿锚杆传播至锚杆另一端,部分能量通过浆体进入岩石,部分波在锚杆的另一端发生反射。反射波将由锚杆外端的压电换能器接收,根据接收到的弹性波波形特征，对锚杆的锚固质量作出评价,根据波的发射与反射时间差,计算锚杆长度。29 一维弹性杆件反射系数公式：杆长计算公式：砂浆饱和度计算公式：30 由反射系数公式可知，当应力波从正常的锚杆部位传到空浆部位,波阻抗相对变小,其反射系数为正值，空浆部位的反射波和入射波相位同相,锚杆底部如和岩体接触的不紧密,底部反射会明显且和入射波同相位。应力波传播到不密实部位通常表现为波幅的突然衰减。应力波反射法就是在实测波形中找出不符合衰减规律的波,例如相对前后波幅突然增大或减小的波,结合仪器给定的其他参数,综合判断锚杆质量。31 锚杆缺陷包括长度短缺、空浆、不密实。优良类锚杆：检测波形规则、振幅较小、衰减较快且有规律。杆底反射处有微弱的底部反射,推断没有空浆或不密实,底部和岩体结合紧密32 对于无底部反射的锚杆,其长度是无法判断的,只能根据波形特征判断33 良好类锚杆：检测波形较规则,除底部有微弱的反射外,空浆部位也有较弱的反射（波幅较前波幅大且相位和入射波同相位,推断为空浆）。34 合格类锚杆：检测波形较规则,底部都有较强的反射,推断为锚杆底部和岩体结合不好,空浆部位有较强的反射（波幅较前波幅大且相位和入射波同相位,推断为有较明显的空浆）。35 不合格锚杆：检测波形很不规则,不密实部位波幅较前后有较大的突然衰减,推断为不密实36 空浆部位波幅较前波幅大且相位和入射波同相位,推断为空浆,不密实部位波幅与前后波幅相比有较大的突然衰减,推断为不密实。37 空浆、不密实部位波幅先是较前波幅大且相位和入射波同相位,后又出现波幅的突然衰减,推断为空浆、不密实。于此类锚杆有一个或多个缺陷的影响,底部反射基本无法判断,也就无法判断锚杆的长度。38 注意：锚杆检测中,缺陷的判断有时也比较困难,注浆饱满程度的判断通常是仪器厂家提供的解释软件初步判断结合测试人员人为判断,一根锚杆如果有多个缺陷,在实际检测中最多也只能确定前面的一两个缺陷性质,缺陷判断困难主要是应力波传播的复杂性所致。在实际检测中,锚杆缺陷的判断比锚杆长度的判断更为重要，一方面是锚杆长度可以通过监理进行控制,但注浆饱满程度很难直观有效的控制；另一方面是根据工程实践和人们的认识,和锚杆长度相比,注浆饱满程度似乎更能决定锚杆的锚固效果。39 4.3隧道衬砌施工质量无损检测隧道的永久支护结构称为衬砌，衬砌混凝土厚度不足直接影响受力和稳定性，衬砌背部与围岩之间存在空洞会导致围岩松弛，使支护结构产生弯曲应力，从而损伤支护结构的功能，降低其承载能力，极大地影响了隧道的安全使用。混凝土衬砌质量检测不仅是控制混凝土衬砌施工质量的主要手段，也是评价运营隧道衬砌现状所必须的。40 4.3.1检测内容隧道混凝土衬砌常见的质量问题有：衬砌厚度不足或内部存在缺陷、背后存在空洞、混凝土开裂、混凝土强度不够等。针对常见的质量问题，按照检测方法的不同可分为：衬砌厚度、内部缺陷及背后空洞的雷达检测；衬砌混凝土强度、混凝土缺陷(裂纹等)的无损检测。41 4.3.2衬砌厚度及背后空洞的雷达检测衬砌混凝土厚度及背后空洞的检测方法一般有直接钻孔法和无损检测方法。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。目前国内外无损检测采用较多的方法主要有两种：地质雷达法和声波法(冲击回波法、反射波法)42 一、现场雷达测试现场地质雷达检测时，应先收集好相关被检测隧道的基本资料(如隧道的工程地质、水文地质概况)，以及隧道的设计参数(如衬砌厚度、钢筋网布置、钢支撑的间距等)并做好前期准备工作(如搭设检测台车，标注里程等)。43 44 (1)测线布置。隧道施工过程中质量检测以纵向布线为主，横向布线为辅。纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条，如图所示；检测中发现不合格地段应加密测线或测点。需确定回填空洞规模和范围时，应加密测线或测点。隧道断面较大时应在隧道拱顶部位增加测线。45 (2)介质参数标定1)检测前应对衬砌混凝土的介电常数或电磁波速做现场标定，且每座隧道应不少于1处，每处实测不少于3次，取平均值为该隧道的介电常数或电磁波速；2)标定方法：①在已知厚度都位或材料与隧道相同的其他预制件上测量；②在洞口或洞内避车洞处使用双天线直达波法测量；③钻孔实测。46 （3）雷达参数设置（略）（4）检测注意事项测试前检查仪器运行情况；测量时确保天线与衬砌表面密贴(空气耦合天线除外)天线移动平衡、匀速(3～5km/h)；分段测量时，相邻段接头重复长度大于1m；随时记录（非常重要！）可能对测量产生干扰的物体(渗水、电缆、铁架等)及位置；测线5～10m应准确标记一里程。47 二、数据处理与解释见第三讲48 三、目前存在的主要问题讨论天线频率选择问题里程标记问题：衬砌面上天线移动非直线；空洞定位问题：测线附近的缺陷也会反映在图像上；空洞内波速无法确定，空洞高度无法准确定量。测试规程的制定、标准图谱库的建立：图像解释因人而异。检测数据后处理问题：雷达测试数据量大，快速出结果困难。49 4.3.3衬砌混凝土强度超声回弹综合检测强度无损检测方法中应用最广的是回弹法、超声法和超声回弹综合法。超声法和回弹法，是根据混凝土的两个不同性质来检测混凝土强度的，前者是依据混凝土的密度，而后者是依据混凝土的表面硬度。回弹值只反映混凝土表层的情况，而超声测强也有一定的局限性，其声速只反映材料的弹性性质，不能全面反映混凝土强度牵涉到的多种材料的指标。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。50 超声回弹综合法由罗马尼亚建筑及建筑经济科学院于1966年首先提出。我国于2005年实施《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02:2005)。综合法可以减弱或消除单一方法使用时的某些因素。例如，混凝土的龄期和混凝土的湿度对于回弹法来说，随龄期的增长其表面会硬化，加上混凝土表面碳化结硬，使回弹值偏高；而对于超声法来说相对于湿混凝土，声波的传播速度要比在干燥混凝土中快得多。51 1.影响因素分析因素试验验证范围影响程度修正方法水泥品种及用量普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥；200～450kg/m3不显著不修正细骨料品种及用量山砂、特细砂、中砂；28%～40%不显著不修正粗骨料品种及用量卵石、碎石，骨灰比：1:4.5～1:5.5显著必须修正或制订不同测强曲线细骨料粒径0.5~2cm;0.5~4cm;0.5~3.2cm不显著>4cm应修正外加剂木钙减水剂、硫酸钠、三乙醇胺不显著不修正碳化深度——不显著不修正含水率——有影响尽可能干燥状态测试面浇注侧面与上表面及底面比较有影响声速、回弹分别修正52 2.隧道中综合法应用的特点和改进方法综合法是以试件内部的声速和试件表面硬度来综合检测抗压强度。但在隧道中，只有单一测试面，无法进行对测或斜测。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。对内部质量与表面质量无明显差异时可参考，因此，隧道衬砌强度的检测应结合地质雷达而进行。一般情况下的“测强曲线”(统一、地方、专用)是由混凝土试块建立的，而实际衬砌波速是采用“平测”，难以估计由此带来的误差。隧道衬砌综合测强应进行以下改进方法：53 (1)现场检测前应结合钻芯进行试验，1~3组为宜。即采用现场检测同样的步骤方法进行试验，根据采用的测强曲线对强度推定后，与同位置钻芯抗压试验的结果比较。如果偏离超出误差范围，则进行必要的修正。此时，得到的测区混凝土强度换算值应乘以修正系数；(2)现场检测时超声波波速的测量过程应保持同一测距，测距不易大于1m，平测必须进行零时距修正；54 (3)湿度对回弹和超声波均有影响。湿度会降低混凝土硬度，回弹值会偏低；湿度使水填充混凝土空隙增加混凝土密度，超声波速会增高。综合法有相互抵消或减弱湿度影响的优点；(4)规程规定的平测时的测区400mm×400mm，由于隧道衬砌是整体的，建议每8~12m视为一构件，按同批构件考虑，构件抽检数不应少于同批构件的30%，每个构件测区不少于10个。（铁路隧道衬砌质量无损检测规程略有不同）；(5)测区数量和位置的选取应考虑隧道衬砌的施工工艺等；(6)现场检测应补充雷达检测，以确定衬砌混凝土内部是否均匀，如果均匀性不好，必须注明“检测推定的强度仅代表表层”。55 3.现场检测混凝土强度换算值同超声仪声速va和回弹仪回弹值Ra之间存在着正相关关系，混凝土的强度越高，相应的超声声速也越高，回弹值也越高。相关数学关系式为：式中：a,b,c--为试验系数56 （1）测点布置超声测点布置在回弹测试的同一测区内，先进行回弹测试，然后再进行超声测试。在条件允许时，测区宜优先布置在构件混凝土浇筑方向的侧面；测区可在构件的两个对应面、相邻面或同一面上布置；测区宜均匀布置,相邻两测区的间距不宜大于2m；测区应避开钢筋密集区和预埋件；测区尺寸宜为200mm×200mm；采用平测时宜为400mm×400mm；测试面应清洁、平整、干燥。57 （2）回弹测试依据砼强度与其表面硬度之间存在着表面硬度大砼强度高，硬度大回弹值高的关系；从而使用回弹仪弹击砼表面，建立回弹值与抗压强度校准的相关关系，用回弹值推算砼的抗压强度(指单一回弹方法，超声回弹综合测试只需测试回弹值)。58 每一测区的大小一般约为400cm2；从每一个测区测取16个回弹值，均匀分布测点，同一测点只允许弹击一次，剔除3个最大值和3个最小值，计算余下的10个回弹值的平均值作为测区平均回弹值R59 回弹值的修正：测试时回弹仪应是水平方向且弹击面为混凝土的浇筑侧面，否则，应对回弹值先进行角度修正，然后再进行浇筑面的修正。60非水平状态下测得的回弹值,应按下列公式修正：在混凝土浇筑的顶面或底面测得的回弹值,应按下列公式修正：Raα—测试角度为α时的测区回弹修正值（见下表）；Rat----测量顶面时的回弹修正值，Rab----测量底面时的回弹修正值。 非水平状态下测试时的回弹修正值Raα61 测试混凝土浇筑顶面或底面时的回弹修正值62 （3）声波测试（参见第一讲）（4）结构混凝土强度推定求得修正后的测区回弹代表值Rai和声速代表值vai后，优先采用专用测强曲线或地区测强曲线换算而得。当无专用和地区测强曲线时，按规程规定的全国统一测区混凝土抗压强度换算表换算，也可按下列全国统一测区混凝土抗压强度换算公式计算：63 当粗骨料为卵石时：当粗骨料为碎石时：64fccu,i—第i个测区混凝土抗压强度换算值(MPa) 谢谢大家！65