超聲回彈綜合法在隧道工程中的試驗及應用

1、超聲回彈綜合法在隧道工程中的試驗及應用王麗梅中鐵二十局集團公司技工學校 陜西省渭南市714000摘要：超聲回彈綜合法是對混凝土質(zhì)量進行無損檢測的主要方法之一。但是，將 該方法應用于輸水隧道混凝土襯砌強度測試，相關(guān)研究和工程實踐較少。所以， 若能將超聲回彈綜合法引入隧道襯砌的強度檢測以應工程之急需，這不僅具有廣 闊的應用前景，也會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟價值和社會效益。本文對隧道襯砌混凝土的 強度f和超聲聲速v、回彈值R的關(guān)系進行比較，對超聲回彈綜合法如何應用于 公路隧道襯砌這一問題進行探討。關(guān)鍵詞：超聲回彈綜合法；隧道工程；測試；應用1引言混凝土是隧道工程建設使用最為廣泛的建筑材料。混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣影響

2、到 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的適用性、安全性和耐久性，并直接制約著隧道工程經(jīng)濟和社會效 益的發(fā)揮。超聲回彈綜合法作為對混凝土質(zhì)量進行無損檢測的主要方法，因其測 試簡單方便，可重復性好，經(jīng)濟便宜、精度高、測試結(jié)果可靠等優(yōu)勢，近年來在 道路、橋梁和房屋結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度測試當中，得到越來越廣泛的應用和認 可。2現(xiàn)有規(guī)程對隧道襯砌應力、養(yǎng)護條件和齡期考慮的不足超聲回彈綜合法是利用低頻超聲儀和具有標準動能2.207J的回彈儀對結(jié)構(gòu) 或構(gòu)件進行原位聲速和回彈測試，利用已建立起來的反映混凝土強度同聲波速度 和回彈值關(guān)系的統(tǒng)一測強公式（1），推定混凝土抗壓強度的一種方法。由于隧道 襯砌只有一個自由面暴露在外，超聲回彈

3、綜合法測試襯砌混凝土聲速時，只能在 襯砌表面采用單面平測法進行。按規(guī)程要求，利用混凝土試塊的超聲聲速v、回彈值R和抗壓強度f來擬和 統(tǒng)一測強公式（1）時，聲速v是在混凝土試塊不受力的狀態(tài)下測試的。這一要 求，在對隧道襯砌進行聲波測試時，是無法滿足的。大量的理論研究和實測數(shù)據(jù) 表明：在圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重等作用下，襯砌總是受到軸力、剪力和彎矩等多種 型式的內(nèi)力作用，并且，襯砌內(nèi)部的應力分布還往往比較復雜。而混凝土聲速與 應力的關(guān)系，現(xiàn)有的研究也主要集中在單軸應力狀態(tài)下應力對聲速的影響方面。 并可概述為：在單軸應力狀態(tài)下，混凝土、巖石等多孔材料，在低應力階段，隨 應力增加，材料內(nèi)的孔隙、裂隙在與應力

4、平行的方向上被壓縮變小，致使聲波在 混凝土中的傳播距離變短，波速增加，且增速較快;在垂直應力方向上，超聲聲 速對應力的變化并不敏感，聲速基本不變;在高應力階段，隨著孔隙、裂隙等被 逐漸壓密，在平行于應力方向上，波速的增加逐漸變慢以致停滯，直至試塊破壞； 在垂直應力方向上，隨著混凝土內(nèi)微裂縫數(shù)量的增多和裂縫變大，其聲波傳播的 聲程增加，波速將會降低。在復雜應力狀態(tài)下，混凝土聲速與應力的關(guān)系研究， 還比較少見。已有的研究，對問題的解決也不理想。由于隧道襯砌內(nèi)部存在應力， 而應力又對聲速有明顯的影響，按不考慮聲速修正的的統(tǒng)一測強公式（1）進行 強度推定，就有可能產(chǎn)生較大的誤差。所以，采用超聲回彈綜合

5、法對襯砌進行強 度推定時，對隧道襯砌的超聲聲速值，應進行修正，剔出應力對聲速的影響，以 提高強度推定的精度和可靠性。3新的綜合測強公式的提出規(guī)程提供的統(tǒng)一測強公式（1）是根據(jù)全國22個省市共8096組超聲聲速、 回彈值和試塊抗壓強度數(shù)據(jù)經(jīng)過冥函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等10種方程形式的統(tǒng)計回歸， 反復擬和優(yōu)選出來的最佳公式。可以說，該公式最大程度地表述了超聲聲速、回 彈值和試塊抗壓強度的相關(guān)關(guān)系，是對三者內(nèi)在聯(lián)系的最優(yōu)表達，反映了混凝土 的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和外觀力學性質(zhì)的一般規(guī)律，具有相當廣闊的適用范圍。但是， 正如前面所言，該公式?jīng)]有考慮襯砌應力對聲速的影響，也未能體現(xiàn)出隧道齡期 和養(yǎng)護環(huán)境的共同作用對測

6、強結(jié)果的影響。襯砌應力和聲速的關(guān)系以及隧道齡 期、養(yǎng)護環(huán)境對襯砌強度的影響，這些問題，現(xiàn)有研究還不能給出明確的解析表 達。同時，也考慮到統(tǒng)一測強公式（1）就是根據(jù)混凝土聲速、回彈值和抗壓強 度的相關(guān)關(guān)系擬和優(yōu)選出來的經(jīng)驗公式。所以，為充分利用公式（1）反映出來 的混凝土強度、聲速和回彈值的共性規(guī)律，本文以該公式為基礎，結(jié)合公路隧道 襯砌的特點，通過系數(shù)調(diào)整和添項的形式對該公式提出聲速、齡期和養(yǎng)護環(huán)境等 影響因素的修正，得式（2），再采用統(tǒng)計回歸的方法，將芯樣強度和超聲聲速、 回彈值按公式（2）以最小二乘法進行擬和，求出三個參數(shù)v0、b0、f0后，即可 得到新的測強公式。=。（喝一口。）站威 +

7、為式中：v0用于修正超聲聲速，主要反映襯砌應力狀態(tài)對聲速的影響。其值可正可負;b0用于反映修正后的聲速可能對式(1)中指數(shù)造成的影響，b0;f0主要反映隧道襯砌齡期及養(yǎng)護環(huán)境對強度的綜合作用，其值可正可負其 余符號a、vai、Rai、c的意義同式(1)。4工程應用及結(jié)果分析某隧道為二級公路隧道，全長656m，于1992年底建成通車。隧道設計為雙 向四車道，進出口洞門均采用翼墻形式，洞身支護形式為曲墻式。隧道襯砌采用 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、麻面較 為常見;隧道輪廓異形現(xiàn)象比較多，內(nèi)凹或外凸較為明顯;多數(shù)地段的橫斷面輪廓 也不甚平整光滑，模板縱橫縫間的錯

8、位較嚴重;在整個長度范圍內(nèi)，隧道混凝土 襯砌的開裂和滲漏水等病害較為發(fā)育，局部區(qū)段比較嚴重，主要集中在隧洞進出 口部位和隧道右側(cè)，有的地段甚至已影響到了隧道內(nèi)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，并在局部地段布置鉆孔，采用鉆芯取樣進行了強度 試驗，以配合無損檢測工作。測試過程和數(shù)據(jù)處理，均按5回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程6(JTJ/T 23-2001)嚴格施行。在回彈測試工作的基礎上，按5超聲回彈綜合法檢測混凝土 強度技術(shù)規(guī)程6(CECS 02： 88)的要求，進行了相應各測點的聲波測試工作。聲波 測試采

9、用沿面測試方法，將接受和發(fā)射換能器置于隧道襯砌的測區(qū)表面的同一高 程，逐步增大距離，測出穩(wěn)定的波速，將這一速度作為測區(qū)的聲速。所用儀器為 同濟大學聲學研究所研制的多功能超聲檢測儀器)U-Sonic超聲檢測系統(tǒng)。按5鉆 芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程6(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，進行了芯樣鉆取和強度試驗工作。為便于分析比 較，將隧道進口端設為里程起點。測試結(jié)果見圖1)一圖5。圖1隧道左拱腳強度分布5040302010圖1隧道左拱腳強度分布504030201000100 200 300 400 500 600 700里程回彈法綜合法站芯法圖2隧

10、道左拱腳強度分布圖3隧道右拱腳強度分布圖4隧道右拱腳強度分布圖3隧道右拱腳強度分布圖4隧道右拱腳強度分布圖5隧道拱頂強度分布對于隧道工程而言，同一隧道的不同地段，由于圍巖類別和襯砌形式的變化 以及施工方法的不同，襯砌質(zhì)量在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)差異是正常的。某些情況下， 即使是同一斷面的不同部位，由于巖層產(chǎn)狀的影響，也可導致襯砌內(nèi)部應力狀態(tài) 和變形的顯著不同，從而影響測強結(jié)果的一致性。該隧道于1992年建成通車， 當時，還未建立正式的監(jiān)理制度，施工質(zhì)量缺乏監(jiān)督。所以，某一位置的鉆孔巖 芯，代表的襯砌區(qū)域是有限的，不宜過多外推。從同一測區(qū)的測試結(jié)果來看，回 彈法、超聲回彈綜合法的所得結(jié)果，在某些地段雖跟

11、鉆芯法有一定出入，個別測 區(qū)甚至有較大差異，但總的說來，兩種無損方法的結(jié)果，基本上是在鉆芯法測值 附近分布，在工程允許的范圍內(nèi)波動。并且，在大多數(shù)地段，三種方法的檢測結(jié) 果還是比較接近的。如里程520m左拱腳處，回彈法和綜合法結(jié)果為17.9MPa、 18.5MPa，與鉆芯法結(jié)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、鉆芯三種方法的結(jié)果也是非常相似的，分別為26.9 MPa、25.4 MPa，25.3 MPa，兩者較之于鉆芯法結(jié)果，其波動幅度分別為6.3%和 0.4%。鉆芯法和回彈、綜合法的結(jié)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，并且可以保證其精度和可靠 性。5結(jié)語對超聲回彈綜合法應用于公路隧道襯砌的局限性進行分析、研究，結(jié)合某公 路隧道的具體應用，得出以下結(jié)論與認識：(1)由于現(xiàn)有規(guī)程對隧道襯砌在應力 分布、養(yǎng)護環(huán)境和長齡期等方面考慮的不足，使用超聲回彈綜合法進行襯砌強度 推定時，應進行相應的修正。(2)圍巖類別決定著襯砌內(nèi)部的應力和應變分布， 也決定著襯砌的養(yǎng)護環(huán)境。對公路隧道進行強度測試時，應首先