超声回弹综合法在隧道工程中的试验及应用

超声回弹综合法在隧道工程中的试验及应用

王丽梅 中铁二十局集团公司技工学校 陕西省渭南市 714000

摘要：超声回弹综合法是对混凝土质量进行无损检测的主要方法之一。但是，将该方法应用于输水隧道混凝土衬砌强度测试，相关研究和工程实践较少。所以，若能将超声回弹综合法引入隧道衬砌的强度检测以应工程之急需，这不仅具有广阔的应用前景，也会产生明显的经济价值和社会效益。本文对隧道衬砌混凝土的强度f 和超声声速v 、回弹值R 的关系进行比较，对超声回弹综合法如何应用于公路隧道衬砌这一问题进行探讨。

关键词：超声回弹综合法；隧道工程；测试；应用

1 引言

混凝土是隧道工程建设使用最为广泛的建筑材料。混凝土质量的优劣影响到隧道衬砌结构的适用性、安全性和耐久性，并直接制约着隧道工程经济和社会效益的发挥。超声回弹综合法作为对混凝土质量进行无损检测的主要方法，因其测试简单方便，可重复性好，经济便宜、精度高、测试结果可靠等优势，近年来在道路、桥梁和房屋结构等结构构件的强度测试当中，得到越来越广泛的应用和认可。

2 现有规程对隧道衬砌应力、养护条件和龄期考虑的不足

超声回弹综合法是利用低频超声仪和具有标准动能2.207J 的回弹仪对结构或构件进行原位声速和回弹测试，利用已建立起来的反映混凝土强度同声波速度和回弹值关系的统一测强公式（1），推定混凝土抗压强度的一种方法。由于隧道衬砌只有一个自由面暴露在外，超声回弹综合法测试衬砌混凝土声速时，只能在衬砌表面采用单面平测法进行。

（1）

按规程要求，利用混凝土试块的超声声速v 、回弹值R 和抗压强度f 来拟和统一测强公式（1）时，声速v 是在混凝土试块不受力的状态下测试的。这一要求，在对隧道衬砌进行声波测试时，是无法满足的。大量的理论研究和实测数据表明：在围岩压力、结构自重等作用下，衬砌总是受到轴力、剪力和弯矩等多种型式的内力作用，并且，衬砌内部的应力分布还往往比较复杂。而混凝土声速与应力的关系，现有的研究也主要集中在单轴应力状态下应力对声速的影响方面。

并可概述为：在单轴应力状态下，混凝土、岩石等多孔材料，在低应力阶段，随应力增加，材料内的孔隙、裂隙在与应力平行的方向上被压缩变小，致使声波在混凝土中的传播距离变短，波速增加，且增速较快; 在垂直应力方向上，超声声速对应力的变化并不敏感，声速基本不变; 在高应力阶段，随着孔隙、裂隙等被逐渐压密，在平行于应力方向上，波速的增加逐渐变慢以致停滞，直至试块破坏; 在垂直应力方向上，随着混凝土内微裂缝数量的增多和裂缝变大，其声波传播的声程增加，波速将会降低。在复杂应力状态下，混凝土声速与应力的关系研究，还比较少见。已有的研究，对问题的解决也不理想。由于隧道衬砌内部存在应力，而应力又对声速有明显的影响，按不考虑声速修正的的统一测强公式（1）进行强度推定，就有可能产生较大的误差。所以，采用超声回弹综合法对衬砌进行强度推定时，对隧道衬砌的超声声速值，应进行修正，剔出应力对声速的影响，以提高强度推定的精度和可靠性。

3 新的综合测强公式的提出

规程提供的统一测强公式（1）是根据全国22个省市共8096组超声声速、回弹值和试块抗压强度数据经过冥函数、指数函数等10种方程形式的统计回归，反复拟和优选出来的最佳公式。可以说，该公式最大程度地表述了超声声速、回弹值和试块抗压强度的相关关系，是对三者内在联系的最优表达，反映了混凝土的内部组成、结构和外观力学性质的一般规律，具有相当广阔的适用范围。但是，正如前面所言，该公式没有考虑衬砌应力对声速的影响，也未能体现出隧道龄期和养护环境的共同作用对测强结果的影响。衬砌应力和声速的关系以及隧道龄期、养护环境对衬砌强度的影响，这些问题，现有研究还不能给出明确的解析表达。同时，也考虑到统一测强公式（1）就是根据混凝土声速、回弹值和抗压强度的相关关系拟和优选出来的经验公式。所以，为充分利用公式（1）反映出来的混凝土强度、声速和回弹值的共性规律，本文以该公式为基础，结合公路隧道衬砌的特点，通过系数调整和添项的形式对该公式提出声速、龄期和养护环境等影响因素的修正，得式（2），再采用统计回归的方法，将芯样强度和超声声速、回弹值按公式（2）以最小二乘法进行拟和，求出三个参数v 0、b 0、f 0后，即可得到新的测强公式。

（2）

式中：v 0———用于修正超声声速，主要反映衬砌应力状态对声速的影响。其值可正可负;b 0———用于反映修正后的声速可能对式（1）中指数造成的影响，b>0;f0—主要反映隧道衬砌龄期及养护环境对强度的综合作用，其值可正可负其余符号a 、v ai 、R ai 、c 的意义同式（1）。

4 工程应用及结果分析

某隧道为二级公路隧道，全长656m ，于1992年底建成通车。隧道设计为双向四车道，进出口洞门均采用翼墙形式，洞身支护形式为曲墙式。隧道衬砌采用模板浇注，插入式振捣器振捣，设计强度为C20。该隧道衬砌表面蜂窝、麻面较为常见; 隧道轮廓异形现象比较多，内凹或外凸较为明显; 多数地段的横断面轮廓也不甚平整光滑，模板纵横缝间的错位较严重; 在整个长度范围内，隧道混凝土衬砌的开裂和渗漏水等病害较为发育，局部区段比较严重，主要集中在隧洞进出口部位和隧道右侧，有的地段甚至已影响到了隧道内行车的安全。为了查明隧道病害的成因，对其安全状况作出综合评价，对该隧道的混凝土衬砌进行了回弹法和超声回弹综合法强度测试，并在局部地段布置钻孔，采用钻芯取样进行了强度试验，以配合无损检测工作。

测试过程和数据处理，均按5回弹法检测混凝土抗压强度技术规程6(JTJ/T 23-2001) 严格施行。在回弹测试工作的基础上，按5超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程6(CECS 02：88) 的要求，进行了相应各测点的声波测试工作。声波测试采用沿面测试方法，将接受和发射换能器置于隧道衬砌的测区表面的同一高程，逐步增大距离，测出稳定的波速，将这一速度作为测区的声速。所用仪器为同济大学声学研究所研制的多功能超声检测仪器)U-Sonic 超声检测系统。按5钻芯法检测混凝土强度技术规程6(CECS 03：88) 的要求，也选取了回弹和综合测强法测点所在部位的混凝土衬砌，进行了芯样钻取和强度试验工作。为便于分析比较，将隧道进口端设为里程起点。测试结果见图1) －图5。

图1隧道左拱脚强度分布 图2 隧道左拱脚强度分布

图3隧道右拱脚强度分布 图4隧道右拱脚强度分布

图5隧道拱顶强度分布

对于隧道工程而言，同一隧道的不同地段，由于围岩类别和衬砌形式的变化以及施工方法的不同，衬砌质量在一定范围内出现差异是正常的。某些情况下，即使是同一断面的不同部位，由于岩层产状的影响，也可导致衬砌内部应力状态和变形的显著不同，从而影响测强结果的一致性。该隧道于1992年建成通车，当时，还未建立正式的监理制度，施工质量缺乏监督。所以，某一位置的钻孔岩芯，代表的衬砌区域是有限的，不宜过多外推。从同一测区的测试结果来看，回弹法、超声回弹综合法的所得结果，在某些地段虽跟钻芯法有一定出入，个别测区甚至有较大差异，但总的说来，两种无损方法的结果，基本上是在钻芯法测值附近分布，在工程允许的范围内波动。并且，在大多数地段，三种方法的检测结果还是比较接近的。如里程520m 左拱脚处，回弹法和综合法结果为17.9MPa 、18.5MPa ，与钻芯法结果18.1MPa 相当一致，差幅分别为-1.1%和2.2%。里程580m 左拱脚处，回弹法、综合法、钻芯三种方法的结果也是非常相似的，分别为26.9 MPa 、25.4 MPa，25.3 MPa，两者较之于钻芯法结果，其波动幅度分别为6.3%和0.4%。钻芯法和回弹、综合法的结果相一致表明，回弹法和超声回弹综合法的正确应用，是可以用来检测隧道混凝土衬砌的强度的，并且可以保证其精度和可靠性。

5 结语

对超声回弹综合法应用于公路隧道衬砌的局限性进行分析、研究，结合某公路隧道的具体应用，得出以下结论与认识：（1）由于现有规程对隧道衬砌在应力分布、养护环境和长龄期等方面考虑的不足，使用超声回弹综合法进行衬砌强度推定时，应进行相应的修正。（2）围岩类别决定着衬砌内部的应力和应变分布，也决定着衬砌的养护环境。对公路隧道进行强度测试时，应首先根据隧道所处的围岩等级进行衬砌类别的划分，对不同类别的衬砌分别进行强度推定。 参考文献：

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