维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷 第３期 ２００２年５月 长安大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．２２ ＮＯ．３ Ｍａｙ ２００２ 文章编号：１００７—４１１２（２００２）０３—００５１－０４ 隧道混凝土衬砌质量检测方法 陈建勋 （长安大学公路学院，陕西西安７１００６４） 摘 要：介绍了用超声波检测混凝土衬砌强度、探地雷达法探测混凝土衬砌厚度及背部空洞的方 法。用该方法对某隧道混凝土衬砌质量进行了检测。将超声波法检测结果与施工过程中经监理工 程师签认的混凝土衬砌强度试验结果进行了对比，结果表明两者比较吻合；同时用现场钻孔的方法 对探地雷达法的探测结果进行验证，结果表明两者比较吻合。 关键词：隧通；混凝土衬砌质量；检测方法 中图分类号：Ｕ４５５．９１ 文献标识码：Ａ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｉｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ ＣＨ ＥＮ ＪＪａｎ—ｚｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ．Ｃｈａｎｇ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔＯ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｒａｄｏｒ ｗａｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｔｏ ｓｕｒｖｅｙ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎ ｔｕｎｎｅ１．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｎｅｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｎ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｄａｔａ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｒａｄｏｒ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｎｅｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｎ—ｔｈｅ—ｓｐｏｔ ｂｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ；ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ 目前，隧道设计施工中多采用复合式衬砌。复合 式衬砌是由初期支护和二次衬砌（模筑混凝土）组 成。初期支护是保证围岩达成施工期间的初步稳定， 混凝土衬砌内在质量的检测主要包括混凝土强 度、混凝土厚度、衬砌背部是否存在空洞等内容。对混 凝土强度采用超声波法进行检测，对混凝土厚度以及 衬砌背部是否存在空洞采用探地雷达法进行检测。 二次衬砌则是提供安全储备或承受后期围岩压力。 具体地讲，二次衬砌在Ⅳ类以上围岩时按安全储备 设计，在Ⅲ类以下围岩时按承载（后期围岩压力）结 １ 用超声波法对混凝土衬砌强度的检测 １．１超声波法的原理 声波测试是弹性波测试方法中的一种，其理论 构设计，并均应满足构造要求。由此可见隧道的二次 衬砌（以下简称混凝土衬砌）是隧道的承载结构（对 软弱围岩尤其如此），也是隧道防水工程的最后一道 防线。因此，隧道混凝土衬砌质量的好坏对隧道的长 期稳定，使用功能的正常发挥是至关重要的。大量的 工程实践证明，由于混凝土衬砌质量存在问题往往 导致隧道衬砌开裂、渗漏水、甚至塌方。所以说，对隧 道混凝土衬砌质量的检测尤如对桥梁进行荷载试验 基础是固体介质中弹性波的传播理论。该方法是以 人工激振的方法向介质发射声波，在一定的空间距 离上接受介质物理特性调制的声波，通过观测和分 析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学 参数，解决土木工程中的有关问题。 试验研究表明，混凝土的抗压强度尺。与纵坡 样重要。 收稿日期：２００１一ｌ１－２ｌ 的传播速度 之间存在着明显的关系，如图１所 作者简介：陈建勋（１９６９一），男，陕西韩城人，长安大学讲师 维普资讯 http://www.cqvip.com ５２ 长安大学学报（自然科学版） ２００２生 、 骥 囊 赠 图ｌ Ｒ 一 关系曲线 示。即可认为，超声波在混凝土内的传播速度是由混 凝土的强度所确定的，是混凝土成分（质量和原材料 品种）、龄期及拌制工艺等的复合函数。它们之间的 关系可用式（１）表示 Ｒ ：ａｅｗ （１） 式中：足为混凝土的抗压强度（ＭＰａ）；Ｖ 为声波传 播速度（ｋｍ／ｓ）；日、ｂ为常数。 １．２确定系数日、ｂ的值 现场有条件时，用取芯机在衬砌表面取两组（每 组３个）试件，进行声波试验和破损试验，以测得试 件的波速 和抗压强度忌，取每组试件的波速平 均值和抗压强度平均值分别代人公式（１），即可求得 ａ、ｂ的值。 现场无条件时，可选用相同材料、相同配合比配 制相同强度等级的混凝土，一般为两组（每组３个） 试件。用与上述相同的方法，可求得ａ、ｂ的值。 １．３混凝土衬砌强度的检测 对混凝土衬砌声波检测采用沿面法。为了使声 波有效地发射到衬砌中，并有效地接收到由衬砌中 传来的声波，采用橡皮泥或黄油作为耦合剂使发射 探头与接收探头与衬砌表面有良好的接触，每个衬 砌断面测三处，分别在拱顶、左边墙、右边墙。每处读 三次声时值，取三次数据的平均值为计算值。将计算 所得的波速（实测波速）代人公式（１），即可求得混凝 土的强度值。 ２用探地雷达法对衬砌厚度及背部空 洞的探测 ２．１探地雷达法的原理 探地雷达法是一种利用高频脉冲电磁波探测混 凝土及下覆介质分布形态的一种无损伤检测方法。 由发射机通过天线向混凝土中发射高频宽带电磁 波，接收机接收来自介质的反射信号。电磁波在介质 中传播时，因介质电磁性变化或介质几何形状改变 而产生相位及回波能量、波形的变化。通过计算机使 用不同的滤波程序对反射波运行时间、回波能量分 布及波形进行处理和分析，从而推断地下地质结构。 ２．２探地雷达检测混凝土衬砌厚度及背部空洞的 方法 实测时将探地雷达的发射天线和接收天线密贴 于衬砌表面，电磁波通过天线进入混凝土衬砌中，遇 到钢筋、钢拱架、混凝土中间的不连续面、混凝土与 空气分界面、混凝土与岩石的分界面、岩石中的裂面 等产生反射；接收天线接收到反射波，测出反射波的 入射和反射双向走时，就可计算出反射波走过的路 程长度，即有式（２） ｈ—ＶＡｔ￣２ （２） 式中：ｈ为天线到反射面的距离（ｍ）；Ｖ为波速（ｍ／ ｎｓ）；Ａｔ为波的双程走时（ｎｓ，１ ｎｓ＝１０ Ｓ）。 对探地雷达工作频段而言，地下介质一般视为 准电介质，其波速可近似为式（３） Ｖ＝Ｃ／ （３） 式中： 为波速（ｍ／ｎｓ）；Ｃ为真空中的光速（Ｏ．３ ｍ／ ｎｓ）；ｅ为介电常数，由波通过的物质决定，可参照表 １取值。 表１主要介质特性参数 介质 相对介电常数 波速／ｍ·ｎｓ一１ 水泥混凝土 ３～６ ０．１３Ｏ～０．１７０ 空气 ｌ ０．３００ 水 ８ｌ ０．０３３ 在现场有条件时，可采用钻孔实测波速，以提高 检测数据的精度。 ２．３探地雷达检测成果 ２．３．１ 衬砌厚度 由于隧道混凝土衬砌与岩体的介电常数有明显 的差别，所以衬砌与围岩之间的界面有明显的电磁 波反射现象。用雷达测出电磁波在衬砌中的双程走 时 ，则衬砌厚度为ｈ＝ＶＡｔ￣２。 ２．３．２衬砌背部空洞 由于空气和围岩的介电常数有明显的差别，所 以在地质雷达成果图上，如果衬砌背部存在空洞，也 是易于识别的。 ２．３．３ 地下水 水对雷达波有强烈的反射。所以地下水在围岩 和衬砌中的活动情况也可采用地质雷达探测出来。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 陈建勋：隧道混凝土衬砌质量检测方法 ５３ 将表２结果代入式（１），求得该隧道混凝土衬砌 ３ 工程实例 近年来，对工程质量实行终身责任制，建设单 位、施工单位和工程管理部门为确保质量，为国家交 出放 ０工程，日益重视工程交工验收前的质量检测 工作。采用无破损的检测方法对工程质量作出科学、 公正的评定是当前工程实践的要求。现以某隧道为 例，介绍运用超声波法和探地雷达法对公路隧道混 凝土衬砌质量进行检测评定的应用情况。 的是指数波速和抗压强度之间的关系，用式（４）表示 Ｒ，一１９．６９ｅ 。 鹊 。～ （４） 沿隧道纵向每４０ ｍ取一个检测断面，每断面 分别在拱顶、左侧边墙、右侧边墙取测试点，每处读 三个数据，取平均值为计算值，求得波速（见表３）。 再利用公式（４）求得该处的混凝土强度值，其结果见 表３。应用数理统计方法处理后，其强度代表值为 ２９．５ ＭＰａ，其最低强度为２９．４ ＭＰａ，其设计强度值 ３．１ 超声波法在混凝土衬砌强度检测中的应用 选用相同材料、相同配合比配制相同强度等级 的混凝土标准试件两组，每组５个。进行声波试验和 破损试验，并分别求出每组的波速平均值和抗压强 度平均值，其结果见表２。 表２ 隧道混凝土衬砌试件实测波速和抗压强度 波速／ｍ·ｓＩ１ 抗压强度／ＭＰａ 为２５ ＭＰａ，故其抗压强度为合格。 查验施工原始记录，检查了１１０组经监理工程 师签认的混凝土强度试验记录数据，以数理统计的 方法进行评定，其强度代表值为２９．３ ＭＰａ，强度最 低值为２８．２ ＭＰａ，设计强度值为２５ ＭＰａ。与超声波 检测结果比较吻合。 试件编号 ｌ ２ ３．２探地雷达法在混凝土衬砌厚度及背部空洞检 测中的应用 某隧道拱顶探地雷达检测成果见表４，探地雷 实测值 ３ ２２６．０ ２ ９４１．０ 平均值 实测值 ２９．７ ２９．３ 平均值 达剖面图见图２。通过对剖面图的分析处理，对存在 ３０．４８ ｌ组 ３ ４ ５ ｌ ２ ３ ２０４．０ ３ ４４８．０ ３ ０３０．０ ３ ４４８．０ ３ ２２６．０ ３ｌ６９．８ ３２．４ ２９．２ ３１．８ ３４．５ ２７．５ 空洞的部位进行了钻孑Ｌ检测，其结果见表４。由表４ 可知，探地雷达的检测成果和钻孑Ｌ检测结果比较吻 合。 ２组 ３ ４ ５ ３ ３３３．０ ３ｌ６７．０ ３ ８４６．０ ３ ４０４．０ ３０．８ ２９．９ ３４．７ ３１．４８ ４ 结 语 （１）本文论述了用超声波法和探地雷达法对公 路隧道混凝土衬砌工程质量进行检测的原理，并介 表３ 隧道混凝土衬砌波速测试及抗压强度换算 位置 序号 左侧边墙 波速／ｍ·ｓ一 抗压强度／ＭＰａ ３２．０ ３０．４ ３０．４ ３０．８ ２９．５ ３０．６ ３０．７ 拱顶 波速／ｍ·ｓＩ１ ３ ４４８．３ ３ ２７８．７ ３ ３３３．３ ３ ３３３．３ ３ ３３３．３ ３ｌ２５．０ ３ ３ｌ６．７ 右侧边墙 波速／ｍ·ｓ ３ ３６１．３ ３ｌ５９．６ ２ ８９８．６ ２ ８９８．６ ３ ５７１．４ ３ｌ３９．７ ３ｌ５９．６ 抗压强度／ＭＰａ ３１．７ ３０．９ ３１．２ ３１．２ ３１．２ ３０．３ ３１．１ 抗压强度／ＭＰａ ３１．３ ３０．４ ２９．４ ２９．４ ３２．２ ３０．４ ３０．４ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ３ ５２７．３ ３ｌ３９．７ ３ｌ５９．６ ３ ２４１．５ ２ ９２８．３ ３ｌ８９．８ ３ ２１０．３ ８ ９ １０ ｌｌ ｌ２ ｌ３ ｌ４ ３ｌ２５．０ ３１５９．６ ３ｌ５９．６ ３ｌ８９．８ ２ ９６３．０ ３ｌ５９．６ ３ ０６２．８ ３０．３ ３Ｏ．４ ３０．４ ３０．６ ２９．６ ３０．４ ３０．０ ３ｌ ８９．８ ３ ３１６．７ ３ｌ７４．６ ３ ３７２．７ ３ ３７２．７ ３ ６５６．３ ３ ３８９．８ ３０．６ ３１．１ ３０．５ ３１．３ ３１．３ ３２．６ ３１．４ ２ ９４１．２ ３ ３５Ｏ．１ ３ ４３０．５ ３ｌ５９．６ ３ ０ｌ６．６ ３ ２４１．５ ２ ９６３．０ ２９．５ ３１．２ ３１．６ ３０．４ ２９．８ ３０．８ ２９．６ 维普资讯 http://www.cqvip.com ５４ 长安大学学报（自然科学版） 表４ 某隧道拱顶Ｋ２０７＋１００￣Ｋ２０７＋３１０段地质雷达解释结果 桩号 围岩类别 二衬设计厚度／ｃｍ 地质雷达解释结果 全段不密实，连续存在多处小空洞，混凝土厚度２０ ２００２丘 钻孔验证结果 Ｋ２０７＋１０３～Ｋ２０７＋１４５ Ｉ ５０ ４０ ｃｍ．空洞高度１０～２５ ｃｍ，其中Ｋ２０７＋¨２～ Ｋ２０７－４－１４０：混凝土厚４ｌ ｃｍ．空洞高２４ ｃｍ Ｋ２０７＋¨５处空洞范围较大，约有５．０ ｍ，空洞高 度２５ ｃｍ．混凝土厚２０～２５ ｃｍ。 空洞，范围约有３３ ＩＴＩ，空洞高度２０～２５ ｃｍ，混凝 Ｋ２０７＋１８０：混凝土厚２４ Ｋ２０７＋１ ５２～Ｋ２０７＋１８５ Ｉ ５０ 土厚度１ ５～２５ ｃｍ。 全段不密实，连续存在多处小空洞，单个空洞范围 ｃｍ，空洞高３３ ｃｍ。 般约１．０ ｍ，混凝土厚度一般为１０～２５ ｃｍ．其中 Ｋ２０７＋２２０：混凝土厚５ Ｋ２０７＋１９４～Ｋ２０７＋２４０ Ｉ ５０ 以Ｋ２０７＋２２２处空洞较大，范围约有６～８ ＩＴＩ．空洞 ｃｍ，空洞高４３ ｃｍ。 高度４０ ｃｍ。 空洞．范围约５～６ ＩＴＩ，二衬混凝土厚度１ ５～３０ ｃｍ， 空洞高度约有ｌ５～４５ ｃｍ。 空洞．范围约１．０ ＩＴＩ，空洞高度１０～１ ５ ｃｍ，混凝土 厚１ ５～２Ｏ ｃｍ。 Ｋ２０７＋２６０ Ｉ ４５ Ｋ２０７＋２６０：混凝土厚１２ ｃｍ，空洞高５０ ｃｍ Ｋ２０７＋２６９ Ｉ ４５ 未钻孔 Ｋ２０７＋２８５ Ｉ ４０ 空洞，范围约２．０ＩＴＩ，二衬混凝土厚度约１０ ｃｍ．空 洞高度约２５ ｃｍ。 未钻孔 Ｋ２０７＋３００ Ｉ ４０ 空洞，范围约１ ２ ｒｌ１．空洞高度约２０～６０ ｃｍ，混凝 Ｋ２０７＋３００：混凝土厚５ 土厚５～２０ ｃｍ。 ｃｍ．空洞高６８ ｃｍ 位置，ｍ ０ ＺＫ１● ●ＺＫ２ 绍了该方法在某隧道的实际运用情况，证实了该方 法的应用效果和可靠性。 １（２０７＋１００ １ １０ １２０ １３０ １４Ｏ １５０ １６０ １７０ １８０ １９０ ２００ Ｋ２０７＋２１０ （２）采有无损检测手段对工程质量进行检测是 ５ 目前工程质量管理的发展趋势。隧道工程属地下工 程，其衬砌质量优劣与隧道安危攸关，对其质量进行 检测评定尤如对桥梁进行荷载试验一样重要。故建 议用探地雷达法对衬砌背部空洞的检测应列入相关 匡１０ 譬 １５ ２０ ０ ２０ ４０ 标准，以确保工程质量。 ６０ （３）本文结合工作实际情况，对公路隧道混凝土 衬砌工程质量检测方法进行了探讨，不正之处，请各 位同行指正。 参考文献： ［１］ 吕康成．隧道工程试验检测技术［Ｍ］．北京：人民交通 出版社，ｌ９９９． 髓辩 黎 露辩啜确露 位置，ｍ●ＺＫ３ ●ＺＫ４ ＺＫ５● １（２０７＋２１０ ２２０ ２３０ ２４０ ２５０ ２６０ ２７０ ２８０ ２９０ ３ｂｏ ０７＋３１０ 堂薯 ５ 霸睡圈癌端麓廖霸隧舞慰确嘲靠 雹目蔼曹黉 １０ ｌ５ ２０ ０ －Ｉ２］ 钟世航．朔黄线中段４５座隧道衬砌的质量检测［Ａ］． 隧道和地下工程第ｌＯ届科技动态报告文集［ｃ］．成 都：西南交通大学出版社，２０００． ２０ ４０ ６０ ［３］ 交通部公路科学研究所．（ＪＴＪＯ７１—９８）公路工程质量检 圃 圆 日 验评定标准Ｅｓ］．北京：人民交通出版社，ｌ９９８． 空洞或不密实 钻孔位置及编号 二衬混凝土界面 ［责任编辑孙守增］ 图２某隧道拱顶Ｋ２０７＋１００￣Ｋ２０７＋３１０地质雷达检测成果图
