公路隧道混凝土衬砌质量检测与评价

(一)质量检测指标

模筑混凝土衬砌结构是目前隧道衬砌工程中最主要的结构形式,与喷射混凝土的质量检验指标一样,除对原材料进行检测外,主要包括混凝土强度、混凝土衬砌结构厚度、混凝土密实度、混凝土外观及表面平整度和混凝土衬砌背后空洞。

1.混凝土强度

混凝土强度包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、疲劳强度等。由于这些指标之间存在一定的内在联系,在一般试验检测中,只检测混凝土的抗压强度便能由此推测出混凝土的其他强度。

混凝土抗压强度是其物理力学性能及耐久性的一个综合指标,工程中将它作为检测混凝土强度的主要指标。强度指标应满足设计要求。

2.混凝土衬砌结构厚度

混凝土衬砌结构厚度是发挥混凝土衬砌结构支护作用的重要保障。混凝土衬砌结构厚度检测是控制混凝土施工质量的重要环节。在《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》(JTG F80/1—2017)中,混凝土衬砌结构厚度检测被列为质量等级评定的基本项目,也是保证工程质量的主要检验项目。衬砌结构厚度指标须满足设计要求。

3.混凝土密实度

混凝土密实度是指混凝土固体物质部分的体积占总体积的比例,说明混凝土体积内被固体物质所充填的程度,即反映了混凝土的致密程度。因为混凝土衬砌结构密实度对混凝土强度和耐久性影响较大,所以,在实际检测中通常以混凝土密实度作定性描述。

4.混凝土衬砌外观

混凝土衬砌外观检测包括蜂窝麻面、裂缝、平整度和几何轮廓、钢筋外露等,混凝土衬砌表面轮廓线应顺直、规整、光滑、色泽一致。每平方米的面积中,蜂窝、麻面和气泡面积不应超过0.5%。蜂窝、麻面深度不应超过5mm。

5.混凝土衬砌背后空洞

混凝土衬砌是隧道围岩的支护结构和维护结构,只有与初期支护密贴接触,才能对围岩起到支护作用。但在实际工程中,由于超挖、混凝土收缩或混凝土供料不足等,使混凝土衬砌与围岩脱离,形成空洞。混凝土衬砌与围岩(初期支护)之间存在空洞时,由于空洞处失去对围岩的约束、混凝土衬砌的受力条件与计算假定条件出现偏差,结构承载能力会受到一定影响,同时,也会影响隧道围岩的稳定。因此,混凝土衬砌结构背后空洞检测是控制混凝土施工质量的重要环节。衬砌背后空洞合格标准与喷射混凝土有所不同,一般情况下需要满足下列要求:

(1)衬砌背后应无空洞、无回填杂物,超挖部分按设计要求处理。

(2)《公路工程竣(交)工验收办法实施细则》(交公路发〔2010〕65号)规定,空洞累计长度不大于隧道总长的3%,单个空洞面积不大于3m2。

(二)混凝土抗压强度试验

混凝土抗压强度是隧道衬砌混凝土的主要性能指标,质量检查有以下几种方法:

(1)混凝土抗压强度试验:标准试件法、凿芯法。

(2)现场检测混凝土强度:超声回弹综合法、回弹法。

标准试件法,在模筑混凝土浇筑现场,取混凝土料将150mm×150mm×150mm标准试模填满,检查试件的制取组数,按混凝土抗压强度标准试件方法制作,在标准养护条件下养护28d,按照标准试验方法测得。

凿芯法、超声回弹综合法,检查试件的制取组数和抗压强度的合格标准与喷射混凝土强度检测方法相同,详见模块四课题三“五、喷射混凝土施工质量检测”。

回弹法、超声法、超声回弹综合法、钻芯法分别见本课题标题四至标题七内容。

(三)混凝土衬砌结构厚度检测方法

1.凿芯法和冲击钻打孔量测法

凿芯法和冲击钻打孔量测法检查是现场检测的主要方法,是最直观、最可靠和最准确的检测方法。凿芯法和冲击钻打孔量测法的不足之处在于此方法具有破坏性,需要将衬砌凿穿,容易凿穿防水层。此方法仅针对衬砌厚度个别“点”的测量,在实测过程中,隧道衬砌厚度值变化较大时,并不能依靠此方法全面反映厚度情况。

(1)凿芯法。凿芯法(即钻孔取芯量测法)通过量测混凝土芯样的长度便可以准确地获得该处衬砌混凝土的厚度。钻孔取芯的设备与钻芯法检测混凝土强度一样,但多选用小直径钻头。

(2)冲击钻打孔量测法。对于普查性检测,采用凿芯法成本高,且费时、费力。这时,便可选用冲击钻打孔量测法。具体做法是先在待检测部位用普通冲击钻打孔,然后量测孔深。为提高量测精度,可以采用已知长度为L0 的带直角钩的高强度铁丝深入钻孔中至孔底,平移铁丝并缓慢向孔壁移动,使直角钩挂在衬砌混凝土外表面。量测铁丝衬砌厚度为

式中 L0——铁丝的直段长度;

Li——量测铁丝外露部分长度。

如果铁丝直钩不能挂在衬砌混凝土外表面,则表明衬砌背后无孔洞或较大离缝,直接量测铁丝外露部分即可。

2.激光断面仪检测法

激光断面仪检测法是在同一断面位置,将隧道激光断面仪检测的喷锚衬砌内轮廓线与二次模筑混凝土衬砌内轮廓线进行对比,即可得出模筑混凝土衬砌的厚度尺寸。利用该方法必须满足以下条件:(www.xing528.com)

(1)衬砌浇筑前已有初期支护内轮廓线的实测结果。

(2)衬砌背后不存在空洞或间隙。

(3)初期支护内轮廓线的实测结果与二次模筑混凝土衬砌内轮廓线的测试结果在同一坐标系中的同一断面位置。

激光断面仪法所用仪器、测试原理和方法,详见模块四课题二“三、隧道断面仪法检测开挖断面”。

3.直接测量法

直接测量法是以二次模筑混凝土衬砌内模为参照物,直接测量。二次衬砌模板台车就位后,在模板台车端头沿台车内模以不大于2.0m 的间距布置测点,以内模法线方向用直尺直接量取模板距初期支护表面的距离,可得到二次模筑混凝土衬砌厚度,详见模块四中课题三“八、喷锚衬砌断面尺寸检测”。

4.地质雷达法

地质雷达法在混凝土衬砌表面布置纵向连续测线,采用地质雷达设备配合高频天线对衬砌结构进行扫描,得到衬砌结构厚度数据。其检测方法与喷射混凝土厚度的检测方法相同,具体参见本课题“八、地质雷达法检测混凝土衬砌质量”。

(四)混凝土衬砌结构背后空洞检测

1.钻孔取芯量测法

可在凿芯法检测混凝土衬砌厚度同时进行,取芯后,在孔内可用直尺量取数据,或用内窥镜观察空洞情况。

2.冲击钻打孔量测法

在采用已知长度为L0 的用带直角钩的高强度铁丝量测衬砌混凝土厚度的同时,将铁丝直接插入底部,量取外露长度Li,将测得的衬砌厚度L 扣除,即为空洞高度(厚度)Lk,即

如果铁丝直钩不能够挂在衬砌混凝土外表面,则表明衬砌背后无孔洞或较大离缝。

3.地质雷达法

地质雷达法的检测方法与衬砌厚度检测方法相同,具体方法参见本课题“八、地质雷达法检测混凝土衬砌质量”。

(五)外观缺陷检测

隧道混凝土衬砌外观缺陷检测包括裂缝、蜂窝麻面、平整度和几何轮廓等。外部缺陷检测可用人眼观察,用有刻度的放大镜、塞尺、皮尺等量测,并采用手绘记录、拍照记录。近年来逐步采用了红外成像法连续扫描记录,快速、直观、准确。衬砌平整度和内轮廓线检测的基本要求及检测方法前已述及,这里仅介绍采用刻度放大镜或塞尺检测衬砌混凝土裂缝。

1.刻度放大镜

刻度放大镜也称为裂缝显微镜。操作方法是将物镜对准待观测裂缝,通过旋转显微镜侧面的旋钮可将图像调整清晰,并可直接从目镜读出裂缝的宽度数值。

部分裂缝显微镜具有自动测读裂缝宽度的功能,具有很高的分辨率,显微镜连有一个在任何工作条件下都能提供清晰图像的可调光源。如Wexham 裂缝显微镜是一种性能优越的产品,用来测试混凝土和其他材料中的裂缝宽度;目镜分度镜可以360°旋转,以达到与所测裂缝平行。裂缝显微镜的量程为4mm,被0.2mm的刻度格分割,0.2mm刻度格又被0.02mm的小刻度格分割。

2.塞尺

塞尺由标有厚度的数个薄钢片组成,可以量测裂缝的宽度和深度。根据插入裂缝的钢片厚度和深度,得出宽度较大的裂缝的宽度和深度。

3.合格标准

衬砌混凝土轮廓线顺直、规整,衬砌表面应密实、无裂缝,颜色应均匀一致。混凝土表面每隧道延米中,蜂窝麻面和气泡面积不应超过0.5%,蜂窝麻面深度不应超过5mm。

(六)仰拱衬砌及仰拱填充检测

仰拱衬砌及仰拱填充属隐蔽工程,需要在施工过程中进行检测。施工完成后检测方法多用钻孔取芯法、地质雷达法检测仰拱混凝土衬砌及仰拱填充混凝土的强度、厚度、深度。采用钻孔取芯法检测仰拱断面形状时,每个检测断面应分别在断面的左、中、右钻孔,钻孔总数应不少于5个点。

(七)隧道衬砌整体检测

衬砌混凝土完成后还应对隧道整体情况进行检测,包括隧道中线,路线中线,衬砌偏位,隧道净高、净宽,车道宽度等。主要实测项目及检测控制指标见表4.5-9。

表4.5-9　隧道总体实测项目及要求