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隧道仰拱施工质量检测方法

时间:2017年07月13日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

这篇工程管理论文发表了隧道仰拱施工质量检测方法,论文根据多年的检测经验,对比分析了隧道仰拱施工质量现有主要检测方法的优缺点,并就隧道仰拱施工质量检测方法的选取提出了合理建议,以期达到为今后隧道仰拱施工质量检测提供借鉴的目的。

  这篇工程管理论文发表了隧道仰拱施工质量检测方法,论文根据多年的检测经验,对比分析了隧道仰拱施工质量现有主要检测方法的优缺点,并就隧道仰拱施工质量检测方法的选取提出了合理建议,以期达到为今后隧道仰拱施工质量检测提供借鉴的目的。

土木建筑工程信息技术

  关键词:工程管理论文,隧道仰拱,质量检测,地质雷达,传统地质钻机

  引言

  伴随着国家中长期铁路规划的逐步实施,西部路网规模不断扩大。在多山的西部地区修建铁路“逢山凿洞,遇河架桥”,隧道工程所占的比例越来越大。仰拱作为隧道衬砌结构的重要组成部分,能改善衬砌结构的受力形式,调整支护结构的轴力和弯矩分布,在提高隧道衬砌结构的承载能力、安全度和耐久性,抑制围岩内塑性区的扩展,约束隧道洞周位移发展等方面有重要作用[1-2]。尽管隧道仰拱对于隧道衬砌结构极其重要,但在仰拱实际施工过程中,施工质量控制却困难重重,主要原因:一方面是隧道仰拱属于隐蔽性工程,有效监管困难;另一方面是受仰拱与掌子面距离限制和上台阶施工干扰,为了保证施工进度,施工单位经常将仰拱与仰拱填充一次浇筑。因此,选取合适的检测方法对隧道仰拱施工质量进行检测意义重大。

  1隧道仰拱常见施工质量问题及现有的主要检测方法

  在以往的检测过程中,发现仰拱施工主要存在的质量问题有仰拱厚度不足、仰拱强度不够、仰拱填充回填片石或洞渣、仰拱底部清理不彻底,有虚渣、仰拱钢筋或钢架间距超标甚至缺失等[3]。这些质量问题的存在,将会导致隧道结构整体承载能力的降低,出现仰拱隆起、翻浆冒泥、拱墙开裂,甚至隧道整体失去稳定等一系列影响运营安全的事故发生。隧道仰拱施工质量检测与评估的方法,主要有地质雷达法、钻芯法、声波法、瞬变电磁法、超声回弹综合法、回弹法、瑞雷波法、地震影像法及红外线探测法等。检测方法虽然很多,但如何保证隧道仰拱施工质量检测的准确可靠却一直困扰着检测工作者们。在实际工程检测工作中,最常用到的检测方法有地质雷达法和钻芯取样法。

  2隧道仰拱施工质量常用检测方法评述

  2.1地质雷达法

  2.1.1地质雷达法检测工作原理[4]地质雷达是采用无线电磁波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描,以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为:高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射,经目标体反射或透射后,由接受天线接收。高频电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的介电特性及汇集形态不同而变化,并由此通过对时域波形的采集、后处理和分析,从而确定地下界面或目标体的空间位置或结构形态。地质雷达具有分辨率高、无损伤、效率高、抗干扰能力强等特点。地质雷达检测采用剖面法,即发射天线(T)和接收天线(R)以固定的间距沿测线同步移动的量测方式,量测结果可用地质雷达时间剖面图表示,其中横坐标记录天线在测线上的位置,纵坐标为反射波双程走时,表示雷达波从发射天线出发经介质界面反射再回到接收天线所需的总时间。这种记录能准确描述测线下方各反射界面的状态。雷达工作原理,见图1。

  为确保时间剖面上各测点的里程位置与实际检测里程位置相一致,在隧道左右边墙上每5m作一个标记,方便标注里程时核对。在数据后处理过程中,根据标记和记录的起始里程进行分析处理。衬砌界面的判释:衬砌混凝土、喷射混凝土与围岩(或其间脱空区域中的空气)存在明显的介电特性差异,因此在时间剖面图上,混凝土衬砌底面与岩石之间有明显的分界面。衬砌混凝土与喷射混凝土之间的介电特性也存在差别,利用介电特性的差别来判定不同介质之间的界面。数据处理及资料解释流程,见图2。原始数据经过处理后,得到深度与时间剖面,见图3。然后,对比设计参数进行分析并得出检测结果。

  2.1.2地质雷达法优缺点地质雷达法检测隧道仰拱,其优点是仪器轻便,无损检测,检测速度快,能连续检测一条测线,检测结果代表性较高。但由雷达天线频率决定的探测深度与分辨率是互相制约的,高频电磁波分辨率高,而浅部损耗严重,探测深度小;低频电磁波穿透深度大,但分辨率较低[5]。在应用地质雷达法对隧道仰拱进行检测时,对仰拱厚度的判断多数基于仰拱上层钢筋的雷达波反射信号,仅能大致推测仰拱的厚度,误差较大,并且地质雷达在检测仰拱钢筋或钢架时,也难以定量,仅能对钢筋或钢架的有无进行定性判断。

  隧道仰拱实际检测过程中,常用的天线频率有400,200(270)MHz。270MHz天线检测某隧道仰拱时的典型雷达图谱,见图4、图5。图4基本看不到仰拱底部的反射面,且此段落仰拱无钢筋;图5中因仰拱有钢筋而可以清晰看到钢筋反射界面,钢筋反射界面呈一条白色反射带,钢筋间距无法量化,且仰拱底部仍然无法看到。图4、图5由于雷达天线频率较低,故分辨率也很低。400MHz天线检测某隧道仰拱时的典型雷达图谱,见图6、图7。图6中,由于仰拱无钢筋而看不到清晰的反射界面;图7中由于仰拱有钢筋,雷达图像能清晰看到钢筋层反射界面,但仰拱底部反射界面仍无法看到,相比较于图5中钢筋层反射界面,图7中钢筋层反射界面要清晰很多,但钢筋的间距仍难以量化。

  2.2传统钻芯法检测隧道仰拱施工质量

  2.2.1传统钻芯法检测原理传统钻芯法采用地质钻机在拟取芯部位进行钻孔取芯检测,通过量测芯样长度来检测隧道仰拱厚度;芯样经过切割加工后进行抗压试验,检测仰拱混凝土强度;通过取芯过程中的芯样描述对仰拱填充进行评价;通过隧底芯样对隧道底部围岩情况进行检测,判断隧底清理是否彻底、是否有虚渣以及隧底围岩情况。

  2.2.2传统钻芯法优缺点传统钻芯法检测,其缺点为破损检测,且为局部点位检测,代表性较雷达法较差,钻机移动缓慢,效率不高。但钻芯法检测优点突出,具有测试结果误差小、直观,检测结果可靠,不仅能真实反映仰拱混凝土厚度和回填情况,还可以进一步检测仰拱混凝土的强度以及对隧道底部围岩情况进行检测,见图8。2.2.3传统钻芯法改进方法为了克服钻机移动缓慢,钻芯效率不高这一问题,实际工作中可以考虑将地质钻机安设到小型货车上,由此可以加快移动转场速度,提高工作效率,见图9。对取芯代表性较差这一问题,还可考虑取芯时加大取芯密度,甚至可以考虑在每板施工的仰拱上随机进行至少一处钻芯检测,以增强钻芯检测的代表性。

  2.2.4传统钻芯法检测隧道仰拱质量注意事项(1)钻芯部位应根据需要合理布置,如无特殊需求,一般将取芯部位选在隧道中心水沟,既降低了对隧道施工的干扰,又方便钻芯过程中冷却水的循环利用。(2)钻孔深度应钻至隧底。(3)钻头内径要满足芯样抗压要求;钻头材质最好采用金刚石,并采用湿式钻芯,利用水循环降低钻进过程中钻头的温度,且每次钻进深度不宜超过50cm,以提高芯样钻取质量。(4)钻芯前要平整场地,使地质钻机安放平稳,并准确获取取芯位置处的实际标高、隧道底部的设计标高和钻芯取样结束后的孔底标高。(5)转盘转速根据地层软硬进行选择,一般情况下使用慢速或中速,每钻进50~70cm倒换一次钻杆夹持器。(6)做好钻芯过程记录,芯样存放在芯样盒内,按钻取先后顺序存放,并做好芯样存放记录,记录好混凝土芯样里程部位、芯样深度范围等。

  (7)对取芯过程做好影像资料留存,对芯样进行封存。(8)钻芯取样结束后,及时对钻孔进行注浆恢复,注浆材料建议用微膨胀混凝土进行充填,并振捣密实,以免因钻芯引起仰拱结构水坏隐患。2.3便携式地质钻机钻芯法检测仰拱质量便携式地质钻机也称背包式地质钻机,便携式地质钻机钻芯检测方法是最近才发展起来的一种新型检测方法,也是非常具有发展前景的一种钻芯检测方法。其检测原理与传统钻芯法的检测原理基本一致,但相比于传统钻芯检测方法,便携式地质钻机携带方便,操作灵活、钻孔快捷,且自带汽油发动机,无需接入外部电源,供水系统有压力瓶或小型水泵。由于便携式地质钻机取出的芯样直径目前多数情况下只有2~3cm,按现行规范不能进行抗压试验,因此便携式地质钻机取芯仅能检测仰拱的厚度和仰拱填充情况。便携式地质钻机及现场取芯工作,见图10。取出的芯样,见图11。

  3结语

  隧道仰拱施工质量检测方法,应根据检测目的选择一种或几种:(1)当仅需检测仰拱厚度时,可以考虑选取便携式地质钻机进行钻芯检测。(2)当需要检测仰拱厚度和强度时,则需要采用传统地质钻机进行钻芯检测。(3)当需要检测仰拱钢筋和钢架情况时,则需用地质雷达法进行检测;不过地质雷达法在检测仰拱钢筋或钢架时,也仅仅能定性判断出隧道仰拱中钢筋或钢架的有无或大致判断出钢筋钢架的间距,而钢筋或钢架的准确间距由于雷达分辨率与检测深度的这一不可调和的矛盾难以确定。在应用地质雷达对隧道仰拱进行检测时,测线应尽量靠近边墙位置,此位置仰拱填充较薄,可提高检测质量。(4)仰拱施工质量最理想的检测方法,应该是在仰拱填充之前采用地质雷达法进行检测,这样不仅可以检测仰拱厚度,还可以准确检测仰拱钢筋、钢架的间距,发现问题及时处置,把问题解决在下一道工序之前,减少返工带来的损失。

  作者:申付全 单位:四川省大件公路管理处

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