隧道工程喷射混凝土衬砌基面粗糙度的面积扩大系数评定方法

'第32卷第3期铁道学报Vo1．32NO．32010年6月J0URNALOFTHECHINARAIIWAYSOCIETYJune2010文章编号：1001—8360(2010)03—009505隧道工程喷射混凝土衬砌基面粗糙度的面积扩大系数评定方法蒋雅君，陶双江(1．西南交通大学土木工程学院，四JII成都610031；2．I~1)JI省交通厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041)摘要：为快速和方便地评定隧道工程中喷射混凝土基面粗糙度，提出一种采用喷射混凝土基面的面积扩大系数来评定其粗糙度的方法。通过对喷射混凝土基面实际表面形态的分析，将其表面粗糙度的影响因素分为表观粗糙度和细观粗糙度两大类，并建立相应的喷射混凝土基面简化表面形态模型。在两个层次模型的基础上，提出喷射混凝土基面面积扩大系数计算方法，在实际工程中进行初步应用，并将总体面积扩大系数与平均灌砂深度的评定结果进行比较。结果表明，平均灌砂深度法在表征喷射混凝土基面粗糙度指标上存在一定程度的不合理性，而面积扩大系数能有效地反映喷射混凝土基面粗糙程度的变化趋势，是一种快捷合理的评定方法。关键词：隧道工程；基面粗糙度评定；面积扩大系数；喷射混凝土中图分类号：TU942；U451．4文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1O01-8360．2010．03．017Area—expandingCoefficientEvaluationMethodforRoughnessofShotcreteLiningSurfacesinTunnelEngineeringJIANGYa—jun．TAOShuang—jiang(1．SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China；2．HighwayPlanningSurveyDesignandResearchInstitute，SichuanProvinceCommunicationDepartment，Chengdu610041，China)Abstract：Amethodforevaluatingroughnessofshotcreteliningsurfacesintunnelengineeringwitharea—expan—dingcoefficientsisadvancedtofacilitatequickandconvenientevaluationonconstructionsites．Onthebasisofanalysisofactualshotcreteliningsurfaceforms，thefactorsinfluencingroughnessofshotcreteliningsurfacesaredividedintoapparent—roughnessandmeso—roughnessandthesimplifiedsurfaceformsmodelsofthesetwotypesofroughnessfactorsareestablished．Thecalculationformulausingarea—expandingcoefficientsofshot—creteliningsurfacesisdeducedandappliedinengineeringpractice．Theevaluationresultsbytheoverallarea—expandingcoefficientsandtheaveragesand—pouringdepthsarecompared．Itisseenthattheaveragesand—pou—ringdepthmethodhassomedegreeofirrationalityandtheareaexpandingcoefficientmethodisabletoreflecttheroughnesschangingtendencyoftheshotcreteliningsurfaces，beingmorequickandrationalinevaluation．Keywords：tunnelengineering；evaluationofsurfaceroughness；area—expandingcoefficient；shotcrete现有研究表明，隧道工程中喷射混凝土初期支护建筑工程中现有评定混凝土基面粗糙度的主要方基面的粗糙度对防水层在施工、运营阶段中的完好性法为：灌砂法、硅粉堆落法、触针法和分数维法等口]。影响很大_1]，而目前相关的规范和标准中尚未对喷射这几种方法的原理大多是通过测量混凝土基面局部的混凝土基面的粗糙度提出具体指标和计算方法，也无平均凹陷深度，得出关于混凝土基面粗糙度的定量指法有效地为施工提供指导和约束，因此如何对喷射混标。而在混凝土基面粗糙程度变异较大的位置，平均凝土初期支护基面粗糙度进行评定和约束，应该是一凹陷深度值并不能准确地反映该处混凝土基面的真实个需要解决的问题。粗糙度；在基面位置非水平时(垂直、倾斜或者倒置)，收稿日期：2007—05—11；修回日期：2007—12-10这几种方法测量起来也有一定的难度；而且在量测中作者简介：蒋雅君(198O一)，男，广西桂林人，讲师，博士。E-mail：yajunjiang@126．corn也需要借助专用设备或特殊材料，量测速度也较慢，不 铁道学报第32卷适于大面积喷射混凝土基面的快速评定。由于在隧道泥颗粒组成的整体面层，见图2(a)；有时也只在混凝工程中照搬这几种方法测量喷射混凝土基面粗糙度的土颗粒间隙中出现，见图2(b)。这种小颗粒层就形成可操作性不强，本文提出一种计算喷射混凝土基面面细观粗糙度的来源，其存在意味着喷射混凝土基面的积扩大系数的简便方法，以便于在施工现场快速、简便表面积将在表观粗糙度的基础上被叠加放大，粗糙度地对喷射混凝土衬砌基面的粗糙度进行评定。也相应增加。1喷射混凝土基面的实际表面形态喷射混凝土衬砌表面通常会呈现“葡萄状”或“泼粥状”等形态l1]，本文从形式上将喷射混凝土基面的粗一一糙度分为表观粗糙度和细观粗糙度两大类，分别进行分析和讨论。(a)表层堆积的小颗粒层fb)大颗粒间隙中的小颗粒1．1表观粗糙度图2喷射混凝土表层的细小水泥颗粒通常在喷射混凝土衬砌表面会形成众多的大小混2喷射混凝土基面的表面形态模型凝土颗粒，这也是其表面粗糙度的主要影响因素。这些颗粒的形态参数往往与混凝土原料、喷射设备及其根据喷射混凝土基面实际表面形态的分析，可以控制参数、喷射设备操作人员的操作经验这几大因素在简化的基础上提取其主要控制参数并建立相应的表有很大的关系，而这些因素在相对固定的情况下，喷射面形态模型，故此处分别建立表观粗糙度和细观粗糙混凝土基面的表面形态将在很大程度上变得相对稳度这两个层次的模型进行分析。定，从而表现出一定的规律性。2．1表观粗糙度模型图1为几个隧道中喷射混凝土初期支护基面局部如前所述，在混凝土颗粒分布基本一致的喷射混表面形态的照片。在同一局部位置处混凝土颗粒的形凝土基面局部，可提取其几个特征值作为表观粗糙度状、大小、高度和间距基本保持不变，这就为喷射混凝模型的主要参数。土基面形态的简化及其表面形态模型的建立提供可能(1)单个混凝土颗粒的尺寸参数一J生。混凝土颗粒在平面上的投影通常具有圆形或者椭圆形等有一定规则外形及类似圆形的特征，可以将其简化为圆形，据此将单个混凝土颗粒视为球缺形状(见图3)。在现场量测时，可提取球缺的2个特征参数球一缺拱高h及球缺拱底圆半径a。(a)局部位置1(b)局部位置2图3混凝土颗粒的球缺模型一(2)混凝土颗粒的平面分布参数(c)局部位置3实际工程中喷射混凝土基面的表面混凝土颗粒大图1喷射混凝土基面局部表面形态多均匀密布，并尽可能地交错分布，因此可以简化为图4的平面模型。需要提取的参数有：量测区域的长度1．2细观粗糙度L、宽度w，同一排颗粒圆心间距z，相邻上下两排颗粒此处所提出的“细观”是一个相对概念(对应于前圆心间距叫。面所提到的“表观”而言)，而非真正尺度意义上的细观(3)表观粗糙度的空间模型结构。将喷射混凝土基面除去混凝土颗粒以外的其余部喷射混凝土基面的表面可能会形成一层由细小水分视为平面，经过如此简化后，一定范围内喷射混凝土 第3期隧道工程喷射混凝土衬砌基面粗糙度的面积扩大系数评定方法97式中，^≤口。T●●●』图4模型区域中混凝土颗粒的总数为7"／：导_．。一W——(3)式中，z≥2a。由式(2)、式(3)可得该量测区域内混凝土颗粒的总体表面积S颗为S颗一·S球缺一州a)(4)l‘LlJ上于i—丁Ll_+Lf图4模型区域中的平面面积(除去混凝土颗粒所图4喷射混凝土基面颗粒分布的平面模型占的平面后剩下部分的面积)Se为基面表观粗糙度的空间模型见图5。S平=LW一2=LW一(5)由式(4)和式(5)可得图4模型的总体表面积S为S=S平+s颗=LW-+州n)一LW(1+7c．)(6)由S与平面面积S。之比可得图5喷射混凝土基面颗粒分布的立体模型一一一+．2．2细观粗糙度模型由式(7)可知，必大于1，因此考虑喷射混凝土可以根据以上方法将喷射混凝土基面上的表层水基面附着的众多混凝土颗粒后，其总体表面积也必定泥小颗粒简化为球缺形状的小颗粒层，建立一个类似会相应扩大。的细观粗糙度模型。稍有不同的是，由于这些细小颗3．2细观粗糙度弓I起的表面积扩大系数』，2粒的粒径通常较小，为便于量测和计算，可将这些凸起同理，的计算式为的细小颗粒视为半球形状，因此所需要量测单个水泥2．．小颗粒的半径r、同排小颗粒圆心的间距l及相邻上下一1+口·7r·7(8)两排小颗粒圆心的间距W。式中，a为量测区域中出现水泥小颗粒的部位所占总但是需要注意的是，在喷射混凝土基面的表面通面积的比例系数；z≥2r。常并不是整体都会出现这样的细小颗粒层(图2(b))，3．3总体粗糙度引起的总体表面积扩大系数因此在计算相应的指标时需要根据现场的实际基面情由式(1)、式(7)、式(8)可得由表观粗糙度和况，按照出现水泥小颗粒的部位所占量测区域面积的细观粗糙度所引起的总体表面积扩大系数为比例乘以折减系数。一·一(1+冗·h2)·(1+a·丌·南)3喷射混凝土基面的表面积扩大系数(9)根据图4与图5建立的模型可计算其表面积相对3．4平均灌砂深度d于其所占平面面积的扩大系数，用以评定其粗糙度。根据灌砂法量测混凝土表面粗糙度的原理，可以同样可将表面积扩大系数指标分为由表观粗糙度引起推导出图4、图5模型的平均灌砂深度d的理论计算的系数及由细观粗糙度引起的系数，二者与总体式为表面积扩大系数之间的关系应为d=h一(3口+一妊·a(10)卢一·(1)3．1表观粗糙度引起的表面积扩大系数4喷射混凝土基面的粗糙度指标比较单个球缺的球面部分表面积s球缺为S球缺一n(a+h。)(2)为比较总体表面积扩大系数卢与平均深度d在表 98铁道学报第32卷征喷射混凝土基面粗糙度方面的合理性，可以通过具g宣体的计算实例来进行对比说明。4．1相关计算参数的选取(1)细观粗糙度参数由于细观粗糙度一般较小，对面积扩大系数和平均深度影响均不大，为计算和说明方便，此处认为喷射02004006O0混凝土表面不存在细小的水泥颗粒。取a一0，即可在肋∞如∞猢平面问距／mm计算中略去细观粗糙度对总体结果的影响。图7平均灌砂深度d变化曲线(2)表观粗糙度参数在忽略细观粗糙度的影响之后，可以通过变化喷(1)在相同的混凝土颗粒平面分布密度下，当颗肋如蚰∞姗射混凝土基面表面的混凝土颗粒尺寸及其平面分布参粒尺寸逐渐加大(意味着粗糙度增加)，与d也随之数，根据式(9)、式(10)来计算卢与d。计算中参数的增加，二者都能反映基面粗糙程度的变化趋势。选取见表1、表2(为方便计算结果的绘图，取z—W)。(2)当颗粒尺寸相同时，随着颗粒平面间距的扩表1单个喷射混凝土颗粒尺寸参数mill大(即颗粒密集程度降低，也意味着粗糙度减小)，d却呈现增加的趋势，这将造成对粗糙度误判；而则能随之变化而减小，能有效地反映出粗糙程度的变化趋势。通过以上分析可知，用d来判断喷射混凝土基面的粗糙度，将造成一定程度上的误判，而卢则可以合理地反映出基面的粗糙程度变化趋势。表2喷射混凝土颗粒平面分布参数miD．5工程应用实例序号z"基于文中所提出的喷射混凝土基面粗糙度面积扩大系数的评定方法，笔者在四川I省广元一巴中高速公路某隧道施工现场进行尝试性应用。5．1现场测量方法现场操作时的测量手段和方法都较为快速和简便。测量仪器主要为钢卷尺(量程为5m，精度为1ram)、测量混凝土颗粒凸起高度的辅助工具(可用一截细直铁丝配合钢卷尺进行量测)及手持照明设备，均可以随身携带。量测一个选定的局部基面(约为504．2计算结果cm×50cm)所有特征参数，单人即可完成操作，所需根据计算结果绘制出不同混凝土基面粗糙度指标时间约为2rain，量测速度较快，可操作性也较强。及d变化曲线，见图6、图7。在该隧道导坑内不同里程约一人高的拱脚位置对2．00初期支护基面局部进行量测，各参数量测的顺序为：选8O60定量测区域并测量边界尺寸L、W一测量混凝土颗粒-K40平面排列分布参数z、训一测量单个混凝土颗粒的高度2Oh及底部半径a一测量基面表面水泥颗粒半径r、平面恒O0排列分布参数z与侧。02004006005．2量测数据及其计算结果平面间距／mm共量测4个不同里程处的局部初期支护基面，各图6总体表面积扩大系数口变化曲线局部基面的参数记录、表面积扩大系数(按式(7)～(9)计算)及其理论灌砂深度(按式(10)计算)的计算结4．3结果分析与讨论果见表3及图8。由图6、图7可知： 第3期隧道工程喷射混凝土衬砌基面粗糙度的面积扩大系数评定方法表3喷射混凝土初期支护基面特征参数与粗糙度指标(1)在基面表面的混凝土颗粒形态杂乱，无相对混凝土颗粒参数水泥颗粒参数表面积扩大系数灌砂深分布规律的局部位置，由于提取喷射混凝土颗粒的主号hhfHl／u7fa／rrJfZ"／w"／。寰睦d／要尺寸参数和分布特征参数较为困难，实施的难度较l323大。(2)混凝土颗粒与球缺形状相差较大时，需要将所量测到的颗粒外形尺寸数据进行圆周化处理后代入公式中进行计算，由此会带来一定的误差。(3)喷射混凝土基面表面的细小水泥颗粒所占的面积百分比为现场估算值，估算的准确程度也将在一定程度上影响到最终的计算结果。q(4)在隧道中各处喷射混凝土基面表面形态存在一定差异，在确定各处的粗糙度时，需要考虑划分不-K同位置的量测区域独立量测，再进行统计分析。旧(5)目前的测量手段和仪器都较为简单，在后期的研究中需考虑结合现场数码摄影量测的手段来提高测量的速度和识别精度，以利于该方法的推广使用。序号图8喷射混凝土初期支护基面口与d的实测结果对比参考文献5．3分析与讨论Eli吕康成，王大为，崔凌秋．隧道复合式衬砌防水层工作性态由表3、图8可知：试验研究[J]．中国公路学报，2000，13(4)：79—82．(1)实际工程中喷射混凝土衬砌基面粗糙程度不LUKang—cheng，WANGDa-wei，CUILing—qiu．TestRe—易保持一致，这可能与施工中影响因素较多有关，说明searchonWorkingBehaviourofWater—proofLayerin要控制好粗糙程度需要在施工过程中进行精心地控制CompositeLiningsofHighwayTunnelsI-J]．ChinaJournal和监控。ofHighwayandTransport，2000，13(4)：79—82．(2)图8中d值曲线的趋势与值曲线的趋势并[2]吕康成，崔凌秋．隧道防排水工程指南[M]．北京：人民交不一致，由此可以反映出不同的粗糙度表征方法所带通出版社，2005：56—60．来结果上的差异；同时根据前面的分析可知，d值在反[3]程红强，高丹盈，张启明．老混凝土表面粗糙度的一种简单测定法[J]．郑州大学学报(工学版)，2006，27(1)：24—26．映喷射混凝土衬砌基面粗糙度上会存在一定的误判。CHENGHong—qiang，GAODan-ying，ZHANGQi—ming．AnEasyMethodtoMeasuretheRoughnessofOldCon—6结束语creteSurface[J]．JournalofZhengzhouUniversity(Engi—通过建立喷射混凝土基面的简化表面形态模型，neeringScience)，2006，27(1)：24—26．提出用面积扩大系数来评定其粗糙度的方法，快捷合[4]张启明，张雷顺．混凝土粘结面粗糙度测试方法研究[J]．理，适用于施工现场进行快速和初步评定喷射混凝土河南科学，2002，20(4)：41i-413．ZHANGQi—ming。ZHANGLei—shun．ResearchonMeas—基面粗糙度。ureMethodofConcreteInterracialRoughness[J]．Henan作为一种精度较为粗略的快速评定手段，该方法Science，2002，20(4)：4I1-413．在实际应用中可能会存在以下一些局限。(责任编辑贾红梅)'