超聲回彈綜合法在隧道工程中的試驗(yàn)及應(yīng)用

1、超聲回彈綜合法在隧道工程中的試驗(yàn)及應(yīng)用王麗梅中鐵二十局集團(tuán)公司技工學(xué)校 陜西省渭南市714000摘要：超聲回彈綜合法是對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的主要方法之一。但是，將 該方法應(yīng)用于輸水隧道混凝土襯砌強(qiáng)度測(cè)試，相關(guān)研究和工程實(shí)踐較少。所以， 若能將超聲回彈綜合法引入隧道襯砌的強(qiáng)度檢測(cè)以應(yīng)工程之急需，這不僅具有廣 闊的應(yīng)用前景，也會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。本文對(duì)隧道襯砌混凝土的 強(qiáng)度f(wàn)和超聲聲速v、回彈值R的關(guān)系進(jìn)行比較，對(duì)超聲回彈綜合法如何應(yīng)用于 公路隧道襯砌這一問(wèn)題進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞：超聲回彈綜合法；隧道工程；測(cè)試；應(yīng)用1引言混凝土是隧道工程建設(shè)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(jì)和社會(huì)效 益的發(fā)揮。超聲回彈綜合法作為對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的主要方法，因其測(cè) 試簡(jiǎn)單方便，可重復(fù)性好，經(jīng)濟(jì)便宜、精度高、測(cè)試結(jié)果可靠等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在 道路、橋梁和房屋結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度測(cè)試當(dāng)中，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和認(rèn) 可。2現(xiàn)有規(guī)程對(duì)隧道襯砌應(yīng)力、養(yǎng)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)動(dòng)能2.207J的回彈儀對(duì)結(jié)構(gòu) 或構(gòu)件進(jìn)行原位聲速和回彈測(cè)試，利用已建立起來(lái)的反映混凝土強(qiáng)度同聲波速度 和回彈值關(guān)系的統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)公式（1），推定混凝土抗壓強(qiáng)度的一種方法。由于隧道 襯砌只有一個(gè)自由面暴露在外，超聲回彈

3、綜合法測(cè)試襯砌混凝土聲速時(shí)，只能在 襯砌表面采用單面平測(cè)法進(jìn)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(qiáng)度f(wàn)來(lái)擬和 統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)公式（1）時(shí)，聲速v是在混凝土試塊不受力的狀態(tài)下測(cè)試的。這一要 求，在對(duì)隧道襯砌進(jìn)行聲波測(cè)試時(shí)，是無(wú)法滿足的。大量的理論研究和實(shí)測(cè)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(yīng)力分布還往往比較復(fù)雜。而混凝土聲速與 應(yīng)力的關(guān)系，現(xiàn)有的研究也主要集中在單軸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力對(duì)聲速的影響方面。 并可概述為：在單軸應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土、巖石等多孔材料，在低應(yīng)力階段，隨 應(yīng)力增加，材料內(nèi)的孔隙、裂隙在與應(yīng)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(yīng)力方向上，超聲聲 速對(duì)應(yīng)力的變化并不敏感，聲速基本不變;在高應(yīng)力階段，隨著孔隙、裂隙等被 逐漸壓密，在平行于應(yīng)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(yīng)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(huì)降低。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土聲速與應(yīng)力的關(guān)系研究， 還比較少見(jiàn)。已有的研究，對(duì)問(wèn)題的解決也不理想。由于隧道襯砌內(nèi)部存在應(yīng)力， 而應(yīng)力又對(duì)聲速有明顯的影響，按不考慮聲速修正的的統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)公式（1）進(jìn)行 強(qiáng)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(duì)襯砌進(jìn)行強(qiáng) 度推定時(shí)，對(duì)隧道襯砌的超聲聲速值，應(yīng)進(jìn)行修正，剔出應(yīng)力對(duì)聲速的影響，以 提高強(qiáng)度推定的精度和可靠性。3新的綜合測(cè)強(qiáng)公式的提出規(guī)程提供的統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)公式（1）是根據(jù)全國(guó)22個(gè)省市共8096組超聲聲速、 回彈值和試塊抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)冥函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等10種方程形式的統(tǒng)計(jì)回歸， 反復(fù)擬和優(yōu)選出來(lái)的最佳公式?？梢哉f(shuō)，該公式最大程度地表述了超聲聲速、回 彈值和試塊抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，是對(duì)三者內(nèi)在聯(lián)系的最優(yōu)表達(dá)，反映了混凝土 的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)和外觀力學(xué)性質(zhì)的一般規(guī)律，具有相當(dāng)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(yīng)力對(duì)聲速的影響，也未能體現(xiàn)出隧道齡期 和養(yǎng)護(hù)環(huán)境的共同作用對(duì)測(cè)

6、強(qiáng)結(jié)果的影響。襯砌應(yīng)力和聲速的關(guān)系以及隧道齡 期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)襯砌強(qiáng)度的影響，這些問(wèn)題，現(xiàn)有研究還不能給出明確的解析表 達(dá)。同時(shí)，也考慮到統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)公式（1）就是根據(jù)混凝土聲速、回彈值和抗壓強(qiáng) 度的相關(guān)關(guān)系擬和優(yōu)選出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式。所以，為充分利用公式（1）反映出來(lái) 的混凝土強(qiáng)度、聲速和回彈值的共性規(guī)律，本文以該公式為基礎(chǔ)，結(jié)合公路隧道 襯砌的特點(diǎn)，通過(guò)系數(shù)調(diào)整和添項(xiàng)的形式對(duì)該公式提出聲速、齡期和養(yǎng)護(hù)環(huán)境等 影響因素的修正，得式（2），再采用統(tǒng)計(jì)回歸的方法，將芯樣強(qiáng)度和超聲聲速、 回彈值按公式（2）以最小二乘法進(jìn)行擬和，求出三個(gè)參數(shù)v0、b0、f0后，即可 得到新的測(cè)強(qiáng)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(yīng)力狀態(tài)對(duì)聲速的影響。其值可正可負(fù);b0用于反映修正后的聲速可能對(duì)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(hù)環(huán)境對(duì)強(qiáng)度的綜合作用，其值可正可負(fù)其 余符號(hào)a、vai、Rai、c的意義同式(1)。4工程應(yīng)用及結(jié)果分析某隧道為二級(jí)公路隧道，全長(zhǎng)656m，于1992年底建成通車(chē)。隧道設(shè)計(jì)為雙 向四車(chē)道，進(jìn)出口洞門(mén)均采用翼墻形式，洞身支護(hù)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(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20。該隧道襯砌表面蜂窩、麻面較 為常見(jiàn);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(cuò)

8、位較嚴(yán)重;在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隧道混凝土 襯砌的開(kāi)裂和滲漏水等病害較為發(fā)育，局部區(qū)段比較嚴(yán)重，主要集中在隧洞進(jìn)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(chē)的安全。為了查明隧道 病害的成因，對(duì)其安全狀況作出綜合評(píng)價(jià)，對(duì)該隧道的混凝土襯砌進(jìn)行了回彈法 和超聲回彈綜合法強(qiáng)度測(cè)試，并在局部地段布置鉆孔，采用鉆芯取樣進(jìn)行了強(qiáng)度 試驗(yàn)，以配合無(wú)損檢測(cè)工作。測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)處理，均按5回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程6(JTJ/T 23-2001)嚴(yán)格施行。在回彈測(cè)試工作的基礎(chǔ)上，按5超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土 強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程6(CECS 02： 88)的要求，進(jìn)行了相應(yīng)各測(cè)點(diǎn)的聲波測(cè)試工作。聲波 測(cè)試采

9、用沿面測(cè)試方法，將接受和發(fā)射換能器置于隧道襯砌的測(cè)區(qū)表面的同一高 程，逐步增大距離，測(cè)出穩(wěn)定的波速，將這一速度作為測(cè)區(qū)的聲速。所用儀器為 同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所研制的多功能超聲檢測(cè)儀器)U-Sonic超聲檢測(cè)系統(tǒng)。按5鉆 芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程6(CECS 03： 88)的要求，也選取了回彈和綜合測(cè)強(qiáng) 法測(cè)點(diǎn)所在部位的混凝土襯砌，進(jìn)行了芯樣鉆取和強(qiáng)度試驗(yàn)工作。為便于分析比 較，將隧道進(jìn)口端設(shè)為里程起點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1)一圖5。圖1隧道左拱腳強(qiáng)度分布5040302010圖1隧道左拱腳強(qiáng)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(qiáng)度分布圖3隧道右拱腳強(qiáng)度分布圖4隧道右拱腳強(qiáng)度分布圖3隧道右拱腳強(qiáng)度分布圖4隧道右拱腳強(qiáng)度分布圖5隧道拱頂強(qiáng)度分布對(duì)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(dǎo)致襯砌內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài) 和變形的顯著不同，從而影響測(cè)強(qiáng)結(jié)果的一致性。該隧道于1992年建成通車(chē)， 當(dāng)時(shí)，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(guò)多外推。從同一測(cè)區(qū)的測(cè)試結(jié)果來(lái)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(gè)別測(cè) 區(qū)甚至有較大差異，但總的說(shuō)來(lái)，兩種無(wú)損方法的結(jié)果，基本上是在鉆芯法測(cè)值 附近分布，在工程允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。并且，在大多數(shù)地段，三種方法的檢測(cè)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(dāng)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(dòng)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(yīng)用，是可以用來(lái)檢測(cè)隧道混凝土襯砌的強(qiáng)度的，并且可以保證其精度和可靠 性。5結(jié)語(yǔ)對(duì)超聲回彈綜合法應(yīng)用于公路隧道襯砌的局限性進(jìn)行分析、研究，結(jié)合某公 路隧道的具體應(yīng)用，得出以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：(1)由于現(xiàn)有規(guī)程對(duì)隧道襯砌在應(yīng)力 分布、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和長(zhǎng)齡期等方面考慮的不足，使用超聲回彈綜合法進(jìn)行襯砌強(qiáng)度 推定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修正。(2)圍巖類別決定著襯砌內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變分布， 也決定著襯砌的養(yǎng)護(hù)環(huán)境。對(duì)公路隧道進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，應(yīng)首先