隧道工程无损检测技术

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。34.1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。44.1.1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根据日本池田田和彦等研究究，得出弹性性波测定松弛弛带的经验公公式：①爆破法开挖：：式中：R---松弛带厚度(m)；D---开挖断面宽度度(m)；h--开挖断面高度度；v、V---围岩、岩石试试件波速(m/s)。②掘进机开挖(大约为爆破的的1/2左右)③对塑性变形及及膨胀围岩：：11测试注意问题题传感器耦合：：声波测孔的的耦合有两种种方法,一种是干耦合合,另一种是水耦耦合干耦合即利用一个胶胶囊包在测试试探头上,然后往胶囊内内注水,通过胶囊内的的水和胶囊橡橡胶和孔壁耦耦合,这种方法的好好处是现场工工作简单,工作效率比较较高,但缺点也很大大,这是由于孔壁壁没有直接和和水接触,发射信号衰减减很大；水耦合方法是在探头头的外端加装装一个阻水橡橡胶气囊,这样可以直接接往钻孔内注注水,使探头换能器器直接通过水水和孔壁耦合合,减少发射能量量的衰减。该该方法现场操操作比较复杂杂,工作效率较低低,但能保证资料料的可靠性。。尤其适用顶顶孔、角孔测测试。12声波发射震源源：有自发射射（一发二收收）、电火花花、锤击自发射能量小小、测距短，，适用于单孔孔；电火花能量较较大，可用于于跨孔，一般般需要交流电电源，在洞室室内难度大；；锤击硐壁表面面，能量大，，适用单孔。。跨孔孔斜校正正：跨孔测试要求求对穿测试孔孔平行,但在洞室内很很难做到,当出现两个孔孔的方位和倾倾角都不一致致时,就应进行孔斜斜校正,以保证测试成成果的可靠性性。134.1.2围岩分级指标标的声波检测测围岩分级声波波检测中，应应注意声波测测试设备及工工作条件的不不同，跨孔法法、单孔法、、锤击法测试试结果略有差差异，各自计计算的完整性性系数Kv彼此相差±10%左右。目前，各行业业波速划分标标准不同，基基本如下表：：围岩类别ⅠⅡⅢⅣⅤKv＞0.750.75～0.50.5～0.350.35～0.2＜0.2Vp(km/s)＞54～53～42～3＜2144.2隧道支护施工工质量无损检检测4.2.1检测内容及目目的在隧道支护工工程中主要应应用的无损检检测项目为锚杆长度、砂砂浆饱满度的检测和围岩注浆加固固效果的检测，采用用较普及的检检测方法为弹弹性波法。国内外对锚杆杆施工质量的的检测目前主主要是拉拔试试验，费时、、破损性大且且只能抽检。。最关键的，，根据锚杆的的锚固作用机机理，常规的的锚杆拉拔试试验难以反映映锚固效果，，也无法确认认锚杆的实际际长度。因此此，锚固工程程质量的无损损检测技术的的研究也就成成为当今岩土土工程界十分分关注的问题题。15对于全长粘结结砂浆锚杆，，其握裹水泥泥砂浆的灌注注饱满与否，，是锚杆能否否按设计要求求起作用的关关键因素，尽尽管砂浆饱满满度并不等同同于锚固效果果，但目前是是反映锚杆锚锚固效果最有有效的指标。。砂浆饱满度度的检测尚处处于发展阶段段，有很多需需要完善的地地方。16锚杆长度、砂砂浆饱满度的的检测隧道注浆是隧隧道加固和止止水的主要方方法之一。但但由于注浆工工艺的可灌注注性、适用性性及围岩地质质情况的复杂杂性等多种因因素的影响，，注浆效果并并不一定都是是令人满意的的。为了解注注浆质量是否否达到预期要要求，目前国国内较多使用用的是弹性波法、分析法(分析压浆记录录)、检查孔法(压水试验、渗渗水试验)等。其中弹性性波法由于操操作方便、代代表性好成为为主要的无损损检测手段而而普遍采用。。17围岩注浆加固固效果的检测测4.2.2围岩注浆加固固效果声波检检测注浆效果主要要指浆液在地地层中的实际际分布状态与与设计的预定定注入范围的的吻合度及注注浆后的复合合岩土质参数数(抗剪强度、承承载力、弹性模量、渗渗透系数等)的提高状况，，即整体物理理力学指标的的改善(复合岩土体的的共同受力、、均匀性和厚厚度)。在隧道工程程中往往还包包含堵水效果果(强度、厚度、、均匀性、渗渗透系数)。18常规情况一般般仅采用单一一的注浆前后后的声波纵波波或横波波速速的对比来进进行评价，最最近较常采用用的是综合利利用声波纵波波和横波波速速，及用下式式换算得到有有关围岩各项项物理力学指指标(剪切模量和动动弹性模量)后，再进行评评价。动剪切模量动弹性模量19用动模量作为为评定指标的的优点：比单一的P波波速、S波波速更综合合(同时反映P波波速和S波波速)；物理含义也更更直接，如动动剪切模量重重点反映了剪剪切特性，动动弹性模量重重点反映了岩岩土体物理力力学特性；比单一的P波波速、S波波速变化明明显，易于误误差分析。20现场测试一般般采用单孔法法或跨孔法(见图)注浆前后各选选代表地段分分别测试。跨孔法检测精精度高于单孔孔法，检测范范围大，也易易采用CT等技术进行高高层次的均匀匀性分析21目前存在的主主要问题：评判指标与被被加固的岩土土体自身的物物理力学特性性和设计要求求密切相关，，难以有统一一标准；隧道现场检测测的难度很大大，尤其是拱拱顶部分，配配套的仪器系系统有待完善善；检测需钻孔，，检测简便性性和代表性有有待提高。同同时，对于土土体超声波衰衰减严重，需需电火花激振振，操作难度度较大。其它问题同松松弛带测试。。224.2.3锚杆长度和饱饱满度的检测测工程锚杆有锚锚固型、摩擦擦型及全长粘粘结型锚杆三三种，全长粘粘结型锚杆目目前在水电工工程，交通工工程上采用较较多。《锚杆喷射混凝凝土支护技术术规范》(GB50086-2001)要求对锚固型型和摩擦型锚锚杆须进行一一定数量的原原位抗拔试验验，以检验锚锚杆的抗拔力力，对全长粘粘结型锚杆应应检查砂浆密密实度，且注注浆密实度大大于75%为合格。锚杆饱满度检检测主要针对对全长粘结型型锚杆。23一、基本原理理锚杆检测的应应力波理论及及弹性波反射射原理与基桩桩检测原理完完全一致，也也是通过实测测锚杆顶端加加速度或速度度响应时域曲曲线，籍波动动理论分析来来判定锚杆的的长度及灌浆浆的饱满度。。由于锚杆的长长径比远远大大于基桩的长长径比，因此此，该理论基基础和方法更更接近一维波波动方程的假假设条件，而而且，波在锚锚杆这种较为为均匀介质中中的传播和反反射情况比在在混凝土非均均匀介质中传传播和反射更更显得单纯，，易于准确的的判别反射波波信号。24锚杆的长度通通过反射波时时间可得，砂砂浆锚杆的饱饱满度涉及的的理论问题较较复杂，原理理上应进行波阻抗分分析，检测过程中中一般仅通过过反射波相对对能量的比值值来经验判断断锚杆砂浆饱饱满度。经大量实践发发现，目前锚锚杆检测中首首波信号的振振荡问题难以以避免，这与与锚杆头外漏漏、尺寸较小小同时激发力力较大、传感感器安装稳定定性等因素有有关。25二、数据分析析的主要原则则锚杆砂浆饱满满度检测目前前处于定性-半定量阶段，，还没有统一一的密实度(饱满度)评价分类标准准。工程界一一般以饱满(密实)、基本饱满(局部不密实)、不饱满(锚固段不密实实)、空浆(主要部分不密密实或无浆)四类分类的较较多。26饱和度检测分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目前存在的主主要问题：对于锚杆饱满满度，检测理理论尚处于定定性-半定量阶段；；对锚杆评定标标准无明确规规定，相关检检测数据尚需需系统积累；；对空心锚杆、、其他材质锚锚杆无成熟经经验，只有通通过现场对比比试验，作出出相对性判断断。28三、检测曲线线特征分析锚杆检测方法法是利用锚杆杆的螺纹钢外外露端,在其端部安放放接收换能器器。用锤敲击击锚杆端部产产生激发波,激发波沿锚杆杆传播至锚杆杆另一端,部分能量通过过浆体进入岩岩石,部分波在锚杆杆的另一端发发生反射。反反射波将由锚锚杆外端的压压电换能器接接收,根据接收到的的弹性波波形形特征，对锚锚杆的锚固质质量作出评价价,根据波的发射射与反射时间间差,计算锚杆长度度。29一维弹性杆件件反射系数公式式：杆长计算公式式：砂浆饱和度计计算公式：30由反射系数公公式可知，当当应力波从正正常的锚杆部部位传到空浆浆部位,波阻抗相对变变小,其反射系数为为正值，空浆部位的反反射波和入射射波相位同相相,锚杆底部如和和岩体接触的的不紧密,底部反射会明明显且和入射射波同相位。应力波传播播到不密实部部位通常表现现为波幅的突突然衰减。应应力波反射法法就是在实测测波形中找出出不符合衰减减规律的波,例如相对前后波幅幅突然增大或或减小的波,结合仪器给定定的其他参数数,综合判断锚杆杆质量。31锚杆缺陷包括括长度短缺、、空浆、不密密实。优良类锚杆：：检测波形规则则、振幅较小小、衰减较快快且有规律。。杆底反射处处有微弱的底底部反射,推断没有空浆浆或不密实,底部和岩体结结合紧密32对于无底部反反射的锚杆,其长度是无法法判断的,只能根据波形形特征判断33良好类锚杆：：检测波形较规规则,除底部有微弱弱的反射外,空浆部位也有有较弱的反射射（波幅较前前波幅大且相相位和入射波波同相位,推断为空浆））。34合格类锚杆：：检测波形较规规则,底部都有较强强的反射,推断为锚杆底底部和岩体结结合不好,空浆部位有较较强的反射（（波幅较前波波幅大且相位位和入射波同同相位,推断为有较明明显的空浆））。35不合格锚杆：：检测波形很不不规则,不密实部位波波幅较前后有有较大的突然然衰减,推断为不密实实36空浆部位波幅幅较前波幅大大且相位和入入射波同相位位,推断为空浆,不密实部位波波幅与前后波波幅相比有较较大的突然衰衰减,推断为不密实实。37空浆、不密实实部位波幅先先是较前波幅幅大且相位和和入射波同相相位,后又出现波幅幅的突然衰减减,推断为空浆、、不密实。于于此类锚杆有有一个或多个个缺陷的影响响,底部反射基本本无法判断,也就无法判断断锚杆的长度度。38注意：锚杆检测中,缺陷的判断有有时也比较困困难,注浆饱满程度度的判断通常常是仪器厂家家提供的解释释软件初步判判断结合测试试人员人为判判断,一根锚杆如果果有多个缺陷陷,在实际检测中中最多也只能能确定前面的的一两个缺陷陷性质,缺陷判断困难难主要是应力力波传播的复复杂性所致。。在实际检测中中,锚杆缺陷的判判断比锚杆长长度的判断更更为重要，一一方面是锚杆杆长度可以通通过监理进行行控制,但注浆饱满程程度很难直观观有效的控制制；另一方面是根根据工程实践践和人们的认认识,和锚杆长度相相比,注浆饱满程度度似乎更能决决定锚杆的锚锚固效果。394.3隧道衬砌施工工质量无损检检测隧道的永久支支护结构称为为衬砌，衬砌砌混凝土厚度度不足直接影影响受力和稳稳定性，衬砌砌背部与围岩岩之间存在空空洞会导致围围岩松弛，使使支护结构产产生弯曲应力力，从而损伤伤支护结构的的功能，降低低其承载能力力，极大地影影响了隧道的的安全使用。。混凝土衬砌质质量检测不仅仅是控制混凝凝土衬砌施工工质量的主要要手段，也是是评价运营隧隧道衬砌现状状所必须的。。404.3.1检测内容隧道混凝土衬衬砌常见的质质量问题有：：衬砌厚度不不足或内部存存在缺陷、背背后存在空洞洞、混凝土开开裂、混凝土土强度不够等等。针对常见见的质量问题题，按照检测测方法的不同同可分为：衬砌厚度、内内部缺陷及背背后空洞的雷雷达检测；衬砌混凝土强强度、混凝土土缺陷(裂纹等)的无损检测。。414.3.2衬砌厚度及背背后空洞的雷雷达检测衬砌混凝土厚厚度及背后空空洞的检测方方法一般有直直接钻孔法和和无损检测方方法。直接钻钻孔法除了有有不能以点代代面的局限性性外，钻孔会会击穿防水板板造成隧道地地下水的渗漏漏，因此很少少使用。目前前国内外无损损检测采用较较多的方法主主要有两种：：地质雷达法法和声波法(冲击回波法、、反射波法)42一、现场雷达达测试现场地质雷达达检测时，应应先收集好相相关被检测隧隧道的基本资资料(如隧道的工程程地质、水文文地质概况)，以及隧道的的设计参数(如衬砌厚度、、钢筋网布置置、钢支撑的的间距等)并做好前期准准备工作(如搭设检测台台车，标注里程等)。4344(1)测线布置。隧隧道施工过程程中质量检测测以纵向布线线为主，横向向布线为辅。。纵向布线的的位置应在隧隧道拱顶、左左右拱腰、左左右边墙和隧隧底各布1条，如图所示示；检测中发发现不合格地地段应加密测测线或测点。。需确定回填填空洞规模和和范围时，应应加密测线或或测点。隧道道断面较大时时应在隧道拱拱顶部位增加加测线。45(2)介质参数标定定1)检测前应对衬衬砌混凝土的的介电常数或或电磁波速做做现场标定，，且每座隧道道应不少于1处，每处实测测不少于3次，取平均值值为该隧道的的介电常数或或电磁波速；；2)标定方法：①在已知厚度都都位或材料与与隧道相同的的其他预制件件上测量；②在洞口或洞内内避车洞处使使用双天线直直达波法测量量；③钻孔实测。。46（3）雷达参数数设置（略略）（4）检测注意意事项测试前检查查仪器运行行情况；测量时确保保天线与衬衬砌表面密密贴(空气耦合天天线除外)天线移动平平衡、匀速速(3～5km/h)；分段测量时时，相邻段段接头重复复长度大于于1m；随时记录（（非常重要！！）可能对测测量产生干干扰的物体体(渗水、电缆缆、铁架等等)及位置；测线5～10m应准确标记记一里程。。47二、数据处处理与解释释见第三讲48三、目前存存在的主要要问题讨论论天线频率选选择问题里程标记问问题：衬砌面上上天线移动动非直线；；空洞定位问问题：测线附近近的缺陷也也会反映在在图像上；；空洞内波波速无法确确定，空洞洞高度无法法准确定量量。测试规程的的制定、标标准图谱库库的建立：图像解释释因人而异异。检测数据后后处理问题题：雷达测试试数据量大大，快速出出结果困难难。494.3.3衬砌混凝土土强度超声声回弹综合合检测强度无损检检测方法中中应用最广广的是回弹弹法、超声声法和超声声回弹综合合法。超声法和回回弹法，是是根据混凝凝土的两个个不同性质质来检测混混凝土强度度的，前者者是依据混混凝土的密密度，而后后者是依据据混凝土的的表面硬度度。回弹值只反反映混凝土土表层的情情况，而超超声测强也也有一定的的局限性，，其声速只只反映材料料的弹性性性质，不能能全面反映映混凝土强强度牵涉到到的多种材材料的指标标。有资料表明明，若以95%可信度水平平来衡量现现场混凝土土强度预测测的最大精精度，超声声法误差约约为±20%，回弹法±25%，综合法±15%以内。50超声回弹综综合法由罗罗马尼亚建建筑及建筑筑经济科学学院于1966年首先提出出。我国于于2005年实施《超声回弹综综合法检测测混凝土强强度技术规规程》(CECS02:2005)。综合法可以以减弱或消消除单一方方法使用时时的某些因因素。例如，混凝凝土的龄期期和混凝土土的湿度对对于回弹法法来说，随随龄期的增增长其表面面会硬化，，加上混凝凝土表面碳碳化结硬，，使回弹值值偏高；而而对于超声声法来说相相对于湿混混凝土，声声波的传播播速度要比比在干燥混混凝土中快快得多。511.影响因素分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522.隧道中综合合法应用的的特点和改改进方法综合法是以以试件内部部的声速和和试件表面面硬度来综综合检测抗抗压强度。。但在隧道道中，只有有单一测试试面，无法法进行对测测或斜测。。因此，在在隧道衬砌混混凝土抗压压强度无损损检测中的的回弹法、、超声法、、超声回弹弹综合法等等均只能反反映衬砌表表层混凝土土的抗压强强度。对内部质质量与表面面质量无明明显差异时时可参考，，因此，隧隧道衬砌强强度的检测测应结合地地质雷达而而进行。一般情况下下的“测强强曲线”(统一、地方方、专用)是由混凝土土试块建立立的，而实实际衬砌波波速是采用用“平测””，难以估估计由此带带来的误差差。隧道衬衬砌综合测测强应进行行以下改进进方法：53(1)现场检测前前应结合钻钻芯进行试试验，1~3组为宜。即即采用现场场检测同样样的步骤方方法进行试试验，根据据采用的测测强曲线对对强度推定定后，与同同位置钻芯芯抗压试验验的结果比比较。如果果偏离超出出误差范围围，则进行行必要的修修正。此时时，得到的的测区混凝凝土强度换换算值应乘乘以修正系系数；(2)现场检测时时超声波波波速的测量量过程应保保持同一测测距，测距距不易大于于1m，平测必须须进行零时时距修正；；54(3)湿度对回弹弹和超声波波均有影响响。湿度会会降低混凝凝土硬度，，回弹值会会偏低；湿湿度使水填填充混凝土土空隙增加加混凝土密密度，超声声波速会增增高。综合合法有相互互抵消或减减弱湿度影影响的优点点；(4)规程规定的的平测时的的测区400mm×400mm，由于隧道道衬砌是整整体的，建建议每8~12m视为一构件件，按同批批构件考虑虑，构件抽抽检数不应应少于同批批构件的30%，每个构件件测区不少少于10个。（铁路路隧道衬砌砌质量无损损检测规程程略有不同同）；(5)测区数量和和位置的选选取应考虑虑隧道衬砌砌的施工工工艺等；(6)现场检测应应补充雷达达检测，以以确定衬砌砌混凝土内内部是否均均匀，如果果均匀性不不好，必须须注明“检检测推定的的强度仅代代表表层””。553.现场检测混凝土强度度换算值同同超声仪声声速va和回弹仪回回弹值Ra之间存在着着正相关关关系，混凝凝土的强度度越高，相相应的超声声声速也越越高，回弹弹值也越高高。相关数学关关系式为：：式中：a,b,c--为试验系数数56（1）测点布置超声测点布布置在