运营隧道衬砌结构质量检测监测技术

隧道衬砌是重要的支护结构，是隧道结构内实外美的直接体现者，混凝土衬砌质量的好坏对隧道的长期稳定性、运营功能的发挥有着重要的影响。

隧道混凝土衬砌常见的质量问题包括：混凝土开裂、钢筋锈蚀、混凝土强度不够、衬砌厚度不足、衬砌表面渗漏水、衬砌背后充填不密实等。因此必须对二衬混凝土强度、厚度及背后空洞进行检测。

1．二衬混凝土强度检测方法

隧道衬砌的强度检测方法有钻芯法、回弹法、超声波法、超声回弹综合法。其中最直接、最可靠的方法无疑是钻芯取样法，但该法可对衬砌造成局部破损，影响隧道美观且施工不便，费用较高，因而难以大量使用、推广。回弹法测试仪器价格便宜、试验费用低、操作简单、不受构件特征限制，在国内外工程的质量检验等工作中得到了更广泛的应用；其缺点是只能反映混凝土表面厚度约为3 cm的情况，而随着龄期的增长，混凝土表面硬化，从而造成回弹值与实压强度偏差较大，在使用中有一定的局限性。超声波法利用超声波在混凝土中传播时混凝土的抗压强度与纵波的传播速度之间的函数关系测算混凝土强度值。强度测定受很多因素影响，如横向尺寸效应、温度和湿度、钢筋、骨料、水灰比、龄期、缺陷和损伤等。考虑到回弹法和超声波法的优点与不足，在混凝土强度检测时将这两种方法结合起来，形成了超声回弹综合法。

超声回弹综合法是采用低频超声波检测仪和回弹仪，在结构或构件混凝土同一测区分别测量超声声速值及回弹值，并利用已建立的测强曲线检测衬砌混凝土强度的方法。即先对试块进行超声测试，然后进行回弹测试，最后将试块加压破坏，当取得超声声速值v、回弹值R和混凝土强度fcu之后，选择相应的数学模型来拟合它们之间的相关关系。有了测强曲线后，根据现场利用回弹仪取得的回弹值R和利用超声仪取得的超声声速值v，就可得到衬砌混凝土的强度值。当所检测地区无专用的测强曲线时，应按全国统一测区混凝土抗压强度换算公式计算，可参考《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》（T/CECS 02—2020）。

2．衬砌混凝土厚度与背后空洞检测方法

隧道衬砌混凝土厚度以及内部裂隙、空洞和背后回填密实程度是隧道施工质量检测的重要指标，它直接影响衬砌结构的承载能力和隧道的使用寿命。隧道衬砌厚度检测方法主要有钻孔取芯法、冲击-回波法、激光断面仪法、地质雷达法。

地质雷达如图14-2-1所示。使用地质雷达检测技术，可以对隧道进行无损实时成像扫描，可用于检测钢支撑间距与数量，初期支护、二次衬砌厚度及背后空洞，混凝土不连续面等，具有快速、直观、准确的优点。每种雷达虽然外观不同，但是其基本组成部分主要都是控制单元、发射天线、接收天线、笔记本电脑和专用软件。

3．隧道衬砌结构质量检测技术新进展(www.xing528.com)

图14-2-1　地质雷达

针对隧道衬砌结构质量的检测监测，传统的检测法检测效率低、人工劳动强度大、工作环境危险；同时对于隧道结构监测数据，需要通过人工定期现场收集，效率低下且反馈滞后。因此，近些年铁路隧道衬砌结构检测监测技术重点致力于发展快速无损检测和自动监测，在雷达探测技术、冲击回声技术、瞬变电磁检测技术、声波检测技术以及自动监测技术方面都有新的进展。公路隧道也针对地质雷达的探测深度与数据的精度等问题，加强了地质雷达技术的研发，以提高全面提升隧道衬砌检测技术水平。

（1）雷达探测技术：常规的地质雷达使用地面耦合天线以接触方式进行检测工作，存在工序复杂且危险性大等风险，促使衬砌质量检测技术正朝着机械化、快速化、非接触方向发展。铁科院分别研制了轮胎式和轮轨式隧道衬砌质量检测车，轮胎式隧道衬砌质量检测车可实现对隧道拱墙衬砌和隧底结构的快速连续非接触无损检测，轮轨式衬砌质量检测车集成地质雷达、激光断面扫描仪、线阵相机和新型液压控制机械臂等系统装备，能对高铁隧道拱墙内部、隧底结构及衬砌表面状态质量进行快速检测。

（2）冲击回声技术：衬砌内部病害隐蔽，传统方法以接触网作业车作为检查平台，人工手持检查槌敲击隧道衬砌，通过人的听觉判断病害位置及范围，作业条件恶劣，检测结果因人而异。冲击回声装置使用可控的液压锤（球）保持敲击力稳定，通过与人的听觉判断功能相近的数字信号进行诊断，实现了敲击诊断机械化和自动化。目前该技术已经应用于新线铁路隧道提前检查工作。

（3）瞬变电磁检测技术：传统瞬变电磁法探测与解释仅依靠二维视电阻率断面图，现在实现了隧底含水构造的三维瞬变电磁探测。

（4）声波检测技术：近几年来，以低频干耦合接触、阵列式控制、合成孔径聚焦为特征的三维超声波成像技术已在混凝土空隙定位、分层、疏松等方面获得越来越广泛应用。

（5）自动监测技术：近几年铁路隧道监测传感器和传输技术愈发先进，包括激光测距仪、阵列式位移计、光纤传感器等，已应用于部分高铁隧道和铁路盾构隧道监测。

另外还有机械振动法（结构动力学法、地震波反射法等）、射线技术法（γ射线反向射线法、中子反向散射法）和其他电气和电子技术法（涡流法、电势法等）、光学技术法（红外线稳定记录法、多光谱分析法等），有待进一步研究和应用。