张花高速衬砌混凝土质量检测技术及锚杆检测技术的探讨

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减 曲线 ， 就可 以对注浆饱 和度作出判断 ， 如表 ２所
示。
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表 ２ 锚 固状 态表
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锚杆抗拔力通过拉拔试验进行检测。拉拔试验 检测方法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法。进
行 拉拔 试验 时 ， 液压 千斤 顶放 在 托板 和螺母 之 间 ， 将 拧 紧 螺母 ， 加 一定 的预应 力 ， 施 然后 用手 动液 压泵 加
２期
王木 群 ： 张花 高速衬 砌 混凝 土 质量检 测技 术及 锚杆 检 测技 术 的探讨
征 明显 。
１３ ６
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衬 砌界 面
３ ）衬砌混凝土背后 回填 不密实 的判识 。衬砌 混凝土背后 回填不密实是介于回填密实与存在空隙
之问的一种情况 ， 在地质雷达图像上表现为衬砌混 凝土界面的强反射信号 同相轴呈绕射弧形 ， 且不连
时， 受到的影响因素很多 ， 以出现很多 回波 ， 所 这些
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２ １ ３ 衬 砌 混凝 土质 量 的检 测 ．．
衬砌 混凝 土 质量检 测原 理如 图 ２ 。
回波都被天线接受 ， 处理后绘制出的图像比较杂乱。 经过仔细分析后， 为图中不规则曲线包 围起来的 认
衰减 ； 注浆饱满程度差的， 则砂浆和岩石间的耦合性
差 ， 看成 松散 不完 整 的介 质 ， 力 波 的波 形 杂 乱 ， 可 应 衰 减慢 。根 据不 同方 向 、 同部 位 击 震 的 应 力 波衰 不
当弹性应力波传播 到锚杆底部时 ， 由于锚杆和锚杆 底部的岩石存在波阻抗差异 ， 将产生反射波 回到锚 杆顶。
２ １ 地质 雷达 法检 测衬砌 混凝 土厚 度与 内部 质量 ．
２ １ １ 探 地 雷达 法原理 ．．
１ 隧道 传 统 检 测及 无 损 检 测 概 述
山岭隧道质量检测传统方法是对隧道断面上进 行抽样 ， 选取检测测点 （ 或者 测线 ） 采用钻孔 或开 ， 槽 的方法 ， 观测 衬 砌 施 工 的质 量 。 由 于其 对 检 测 测
第３ ７卷第 ２ 期
２１ ０ １年 ６月
湖
南
交
通
科
技
Ｖ０ ． ７ Ｎｏ ２ １３ ．
ＨＵＮ ＡＮ ＯＭＭＵ Ｃ Ｔ ＯＮ Ｓ Ｅ Ｅ ＡＮＤ Ｉ ＨＮＯＬ Ｙ Ｃ ＮＩ Ａ Ｉ ＣＩ ＮＣ ＥＣ ＯＧ
Ｊｎ ２ １ ｕ ． ０１
文 章编 号 ： ０ ８８４ ２ １ ）２０６ —３ １０ —４ Ｘ（０ ０ －１２０ １
道 的防水 系统 遭到破 坏 ， 成 严重后 果 。另外 ， 量 造 大
种新 型 的无损检 测 仪 器 ， 一种 利 用 高 频 电磁 波 探 是
测结构工程质量的无损检测方法。该方法利用高频 电磁波以宽频带短脉 冲形式 ， 通过发射天线定 向送 人探测体 ， 经过存在 电性差异的介质反射后返回 ， 被 接收天线接收。接收天线在接收到 回波后 ， 直接传 输到接收机 ， 信号在接 收机经过整形和放大等处理
探 地 雷 达 系统 检 测衬 砌 厚 度原 理 如 图 １ 示 。 所 图 ｌ描述 了探地 雷 达 系 统 的工 作 方 式 ， 给 出 了 电 并
磁波反射工作图示 ， 用来说 明衬砌厚度的检测原理 。 发射 天线 Ｔ发 射 电 磁 波 经 反 射 被 接 收 天 线 Ｅ 接收， 通过雷达反射 图像的分析确定反射层 ， 来测定 反射波的双程走时 ｔ ， 从而确定衬砌围岩界面距离衬
２ 隧道 混 凝 土 衬 砌 的检 测
衬砌 工程 检测 部位 主要是 拱 顶 、 右拱腰 、 右 左 左
收稿 １ ： ０ １０ －１ ３期 ２ １ －４ １ 作者简介 ： 王木群 （９ ２ ） 男 ， １８ － ， 主要从事地下工程研究工作。
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混凝 土质 量检 测 中的应 用 ， 分析 了反 射 波法检 测锚 杆施 工质 量的理论 和 应 用。
关键词 ： 隧道工程 ； 探地雷达； 锚杆 ； 反射波法 ； 质量检测 中图分 类号 ： ５ ． Ｕ４ ６３ 文 献标识 码 ： Ｂ 拱脚和左右边墙 ， 主要内容为衬砌混凝土强度等级 ， 衬砌混凝土厚度 以及 内部裂隙、 空洞 和背后 回填密 实 程度 。
表 １ 不 同物体 的介电常数表 Ｇｚ Ｈ
当电磁 波在 地 下介 质 中 的波 速 为 已知 时 ， 以 可
图 ３ 初期支护 空洞 图
根据精确测得的双程走 时， 由下式求得衬砌 的厚度 为：
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结合地质资料分析截取的雷达图像片段可知 ， 由于该段围岩破碎 ， 且用探地雷达作初期支护检测
张 花 高速 衬 砌 混凝 土 质量 检 测 技 术 及 锚杆 检 测 技术 的探讨・
王木群
（ 中南大学 ， 湖南 长沙 ４０ ７ ） １０ ５
摘 要： 隧道检 测经历 了从破损检测到无损检测的发展历程。随着对 高频电磁 波理论研 究 的深入 和广 泛应 用 ， 人们 越 来越 重视对 无损 检 测技 术 的研 究。探 讨 了探 地 雷达在 隧道衬 砌
的岩体连接在一起以提高整体稳定性的一种支护措 施。当锚杆发挥作用时， 锚杆不同部段 的功能各不 相同。锚杆内端处于牢 固稳定岩体 的部段， 其锚 固 力主要起着固定锚杆 的作用 ； 而锚杆外端处于破碎 或 不稳定 岩 体 的部段 ， 其锚 固 力 主要 起 着 将该 段 岩 体（ 与锚杆连接在一起 的作用。要让锚杆能发 块）
部分的雷达图像是 由电磁波在一种介质 中连续波动 形成 的， 故判断此处存在空洞 。经打孔验证 ， 此处确 实存 在 空洞 。 ２ ２ ２ 青坪 隧道 二 次衬砌 脱 空检 测 。． 在隧道的拱顶、 拱腰和拱脚部位 ， 由于重力作用 和混凝土的塌落、 干缩 ， 混凝土容易在一次衬砌和围 岩之间或一次衬砌与二衬之问产生空隙 ， 甚至形成 脱空现象。如果大面积的空隙存在 ， 就成 了空洞 ， 在 雷达 图像上表现为很强的反射信号。在进行二次衬 砌质 量 检测 时 ， 由于探 地 雷达受 到 的环境 干扰 较小 ， 空洞 的雷这图像一般较清晰， 较容易判断 出空洞位
砌表 面 的距离 即衬 砌厚 度 。根 据原理 图 ｌ可得 脉 冲 波旅 行时 间 与衬砌 厚度 的关 系式 为 ：
ｔ — ＝
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法、 冲击 回波法 超声 一 回弹综合 法、 瞬变电磁法和 多频 电磁 法等 。此外 ， 还有 红 外线 温度 记录法 、 械 机
振动法、 射线技术法等。
高频应 力波 接 收装 置
－
砂浆
高频应力 波 发射装 置
锚杆
图 ４ 二次衬 砌脱空图 图 ５ 锚杆声波测试系统布置图
３ 锚 杆 的检 测
锚 杆是 将破 碎 或 不 稳 定 岩 体 （ ） 牢 固稳 定 块 与
式中： 为锚杆中应力波传播速度； 为应力反射波 ｔ
的双 程走 时 。 源自文库
色 电平 图／ 灰色 电平 图或 波 形 堆 积 图 的方 式 显 示 出 来， 经滤波 等 数 字 处 理 后 ， 用 来 判 断探 测 体 的深 可 度、 大小 和方位 等特 性参 数 。
２ １ ２ 衬 砌混 凝 土厚度 的检 测 ．．
量来判断结构或构件某些性能 的检测方法。无损检 测 技 术有 着 比常规 检 测 方 法更 为突 出 的无破 坏 性 、
的抗 拔力 大小 。
３ ２ 工程 实例 ．
以科洞隧道锚杆长度检测及锚杆效果检 测为
抽样对结构受力不利， 少量抽样代表性差 ， 检测结果 往 往 不能反 映隧道 整 体 质 量情 况 ， 以做 出全 面 而 难 准 确 的评 价 。
隧道 工程 质量 的无损 检测 技术 是指 在不 影响 结 构 或 构件性 能 的前 提 下 ， 过 测定 某 些 适 当 的物 理 通
后， 经电缆传输到雷达主机， 经处理后 ， 传输到微机。 在微机中对信号依照幅度大小进行编码 ， 并以伪彩
挥设计的效果 ， 除保证锚杆的长度满足设计要求外 ，
还要使各段都能均匀而有效地与岩体锚固在一起。 ３ １ 锚杆 长 度及 注浆 饱和 度检 测 ． 锚杆长度及注浆饱和度均采用应力反射波法检 测， 检测 原理 如 图 ５所 示 。 １ ）锚杆长度检测 。应力反射波法是一种无损 检测方法 ， 该方法 的基 本理论依据为一维杆件的弹 性应力波反射理论 。在锚杆顶部激发弹性应力波 ，
点 处 的衬砌 厚 度 、 砌强 度 、 砌 中的缺 陷 以及衬砌 衬 衬
探地 雷达 （ ｒｕ ｄＰ ｎ ｔ ｔ ｇＲ ｄ ｒＧ Ｒ） Ｇ ｏ ｎ ｅ ｅｒ ｉ ａ ａ ， Ｐ 是一 ａｎ
后脱空的判断直观且准确无误 ， 隧道衬砌质量检 在 测 中得到 了长期 的应用。但由于这种检测方法速度 较慢 ， 效率较低 ， 会对隧道结构造成损伤 ， 甚至使隧
随机性 、 距离 探测 、 场检 测 等 特 点 ， 且 检 测 数 远 现 而
据可连续采集 ， 并通过数理分析和逻辑判断 ， 能够 比 较 准 确地 推断 出工 程 质 量 的状 况 ， 而 弥 补 以往 质 从 量控制中的观感检查和仅靠外型质量控制来推断工 程质量的不足。常用 的无损检测方法包括声波反射
在介质 中的传播特性可知： 应力波在坚硬完整的介 质 中传播速度大， 衰减速度快 ， 而在松散及不完整介 质 中应力波 的传播速度小 ， 衰减速度慢 。
利用应力波这一传播特性来判断注浆饱和度情 况， 注浆饱满的， 砂浆和岩石 的耦合性好 ， 可看 成完
整 的介 质 ， 因此 应力 波 的波形规 则衰 减快 ， 于指数 近
根据 反射 波 的走 时 和锚杆 中的应 力 波传播 速 度
就可以用公式（ ） ４ 求出锚杆长度 ， 锚杆中的应力波 传播速度可在现场已知长度的锚杆上进行标定 。 ２ ）注浆饱和度检测。注浆饱和度检测通过测 定锚杆不同方位 ， 不同距离应力波的阻尼情况 ， 即锚
杆 与 围岩 的耦合 情况 来判 断注 浆饱 和度 。 由应 力 波
续、 无规则 、 较分散 ， 明衬砌 混凝土背后 局部存在 说 空隙或空洞。
２ ２ 工程 实例 ．
图 １ 探地 雷达系统检测衬砌厚度原理 示意
２ ２ １ 舒 家湾隧道 初期 支护 空洞检测 ．．
老
（ ２ ）
舒家湾隧道初期支护质量 的雷达检测 中， 主要 的质量 问题 就是 存 在 空 洞 。 图 ３就 是 从 右 洞 Ｚ ｌ ｋ８
置所在。如图 ４所示 ， 图像中杂乱 曲线包 围的地方
存在空洞 。 经 打孔验 证 ， 此处 有一 最 大深 度 约 ０ ６ｍ， 围 ． 范
约 ３ｍ 的 大空 洞 。此 处 必 须 进 行处 理 ， 否则 会 给隧
道运营带来不安全隐患 。
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湖
南 交
通
科
技
３ ７卷
围岩
发射
图 ２ 衬 砌 混 凝 土 质 量 检 测 原 理 示 意
１ ）衬砌 混凝 土与 围岩 结 合 的判 识 。 由于 衬砌
混凝土与围岩之间的介电常数差异较 小 ， 如果结合 状态较好、 无空隙 ， 则地质雷达 图像上不会有特别明 显的反射信号 ， 在图像 中表现为振幅较弱的界 面反 射信号 ， 甚至没有反射信号。 ２ ）衬砌混凝土 内空洞的判识 。由于空气 与混 凝土的介电常数差异较大 ， 如果有明显的空洞 ， 则在 地质雷达图像中表现为衬砌界 面反射信号增强 ， 特
＋４ Ｚｌ ＋ ７ ８６～ ｋ ８ ８９段雷达检 测图像 中截取的存在
异 常波 形 的图像 片 段 。
式 中： 为反射层厚度 即衬砌厚度 ； 为收发距 即接 收与发射天线 中心 的距 离， 是与天线有关 的定 值 ； 为电磁波在介质 中的传播速度 ； 为 电磁波在 空气 ｃ 中的传播速度 ； 为介电常数。 常用的介电常数见表 １ 。