隧道施工要点七.docx

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隧道施工要点七

第八部分实现内实外美

-施工过程中的质量控制

从既有隧道的使用情况看，修建的隧道质量不容乐观，如衬砌厚度不足，衬砌背后存在的空洞，混凝土和喷混凝土质量的离散性较大，隧道底部处理不彻底，先拱后墙形成的衬砌隐患等等。

造成这些现象的原因是多种多样的，解决这些问题，要从设计、施工多方面共同努力，但最主要的是要加强施工阶段工程质量的经常性监视与控制。

从隧道建成后的状态看，存在的问题主要有：

·衬砌背后存在一定规模的空洞或空洞回填不密实，例如有的隧道衬砌背后的空洞很大，甚至可以达到人在庆祝爬行的程度；

·衬砌厚度不足，这个现象比较普遍，有的衬砌实际厚度不到设计厚度的1/2，严重地削弱了衬砌的承载能力；

·衬砌中存在施工中产生的开裂；

·混凝土强度离散性大，有的强度不足；

·基底处理不当，在振动的作用下，出现翻浆冒泥。

这应该是我们在施工阶段进行质量监控的重点。

目前的施工质量监控工作，除了施工单位自行检查外，主要是由施工监理按常规的方法进行，并且大都是“马后炮”的方法，即使出现问题也难于处理。

施工监理缺乏在施工过程中检测施工质量的有效监控手段和方法，使得许多工程的质量得不到有效的控制，这也是目前一个不可否认的实际情况。

要加强施工阶段质量控制，就必须具备有效的施工阶段质量检测方法。

那么开发和引进一些检测方法和设备是十分必要的。

针对隧道施工中存在的问题，对于施工阶段的检查，不是指在施工完成后，而是在施工过程中的检查。

例如，目前评定混凝土衬砌强度的方法是常规的留取试件，而后在28d后进行强度测试。

这种方法的缺点，就是不能及时发现混凝土强度的问题，也就不可能及时地对问题进行改进。

因此，必须强调施工过程中的“及时检查、及时发现、及时改进”的“三及时”原则，只有这样才能把混凝土质量及其离散性控制在要求的范围之内，这也是一些国家在质量控制上所采用的基本方法。

针对隧道施工中存在的问题，在施工阶段的检测技术上应该重点解决以下几个关键技术问题。

施工要点一隧道表面状态检测方法

隧道表面状态指衬砌开裂状态及衬砌内轮廓的变形状态。

在隧道施工过程中，常常出现一些开裂，这些开裂有的是致命性的，有的是可以忽视的。

因此对衬砌的开裂必须进行测定，以便判断其对衬砌承载能力是否有影响，影响到什么程度等。

造成衬砌开裂的原因多种多样。

在前面的混凝土施工要点中已经作了说明，可以参考。

1．衬砌表面开裂的检测方法

衬砌开裂是隧道最常见的变异现象，观察开裂的形态、规模、模式等对推定荷载、变异状况、变异程度等是很重要的。

开裂的调查主要是通过目视来察衬砌表面出现的开裂、剥离、剥落或漏水的状况，描述开裂的位置、长度、宽度、错台等。

观察开裂采用的器具有：

尺度测定：

规尺（图1）、游标尺等；

开裂宽度测定：

代刻度的放大镜、开裂规尺；

开裂记录：

相机、摄影机；

记录用纸：

变异展开图纸、观测结果记录纸、照明、脚手架等。

图1规尺

开裂的简易调查是使用简易的计量器具进行的，调查方法如图2~图5所示，如在开裂的前端设标志（图2）；在开裂处设砂浆饼进行观察（图3）；或设置开裂计图4）以及标点（图5）等。

开裂的发展是随季节的温度变化而变的，因此测定开裂的同时要测定温度的变化。

为判定开裂有无发展，通常要进行一年以上的观测。

详细地调查开裂的发展，需设置开裂位移计或三向应变计，准确地量测开裂的宽度及错台。

开裂的方向和深度的调查，对判定变异的原因很重要。

如开裂宽度的变化可采用开裂位移计；错台测定主要测定开口、错台的位移；开裂深度、方向的测定可采用钻孔、超声波等方法。

开裂随时间变化的测定可采用开裂位移计（图6）；出现开裂或错台时，最好同时测定开口和错台；开裂宽度因温度变化，时开时闭，因此判断其发展时，需连续观测一年以上。

图6开裂位移计图7岩心观察

开裂深度和方向的测定方法可采用钻孔观察法、如图7所示。

测定频率及调查期间的大致标准如下：

测定频率在设置后3个月前为1次/1月；3个月以后为1次/3月。

测定期间为1年左右

图8是开裂宽度的实测数据例。

图8开裂宽度的实测数据

对检测的开裂要及时进行判定，判断其影响程度，以决定是否采取相应的措施。

开裂有的是继续发展的，有的是停止发展的，这对判断开裂的影响是至关重要的。

有发展性的开裂，其判定基准列于表1。

没有发展性的开裂的判定基准列于表2。

表中的开裂是以水平方向或剪切开裂为主要对象的，横断方向的开裂,可按降1级进行判定。

同时，0.3~0.5mm以上的开裂密度，超过200cm/m2时,要提高1级进行判定或采用分级中较高的级别判定。

表1开裂有发展性的判定基准

地点

位置

开裂

判定分级

宽度

长度

>3mm

<3mm

>5m

<5m

衬砌

断面内

○

○

3A~2A

洞门

○

○

2A~A

○

○

A

○

○

A

表2开裂不能确认有无发展性的判定基准

地点

位置

开裂

判定分级

宽度

长度

>5mm

3~5mm

<3mm

>10m

5~10m

<5m

衬砌

断面内

○

○

3A~2A

洞门

○

○

2A~A

○

○

2A~A

○

○

2A

○

○

2A~A

○

○

A

○

○

○

○

A~B

表1和表2中的判定分级是日本对结构物变异程度的分级标准。

用○的项目进行评定。

最近开始采用全方位的数码相机、激光摄影系统等方法编制展开图,取得了一定的效果。

对显著的变异，在进行目视观察、素描的同时，可辅以摄影观察，作为客观地掌握变异状况的资料。

在摄影时，要记录摄影地点的里程、摄影部位（拱、墙等）、摄影方向（左右、上下等），同时最好能把判断对象物大小的比较物（人物、折尺等）摄入画面。

此外，可采用360旋转的照象机进行全方位摄的影记录，对掌握全体状况是很有效的。

作为补充目视观察、素描记录的技术，近年对衬砌表面连续摄影的方法，并对其结果进行画像处理的技术已经确立。

该技术不仅记录了画像数据，也可以用来进行健全度的判定。

从方法上看，主要有两种方法。

一种是用激光画像的方法，一种是用CCD相机摄影的方法。

两种方法的概况及特征见表3。

表3激光照相与CCD相机摄影方法的概况和特征

摄影方法

激光照相

CCD相机摄影

摄影概况

用激光照射衬砌表面，用光检测器检测反射光的浓淡，一边移动一边记录变异的浓淡画像

用光源照射衬砌表面，用CCD一边移动一边记录变异的浓淡画像

特征

·光传感器的感度高；

·不需要焦点配合；

·用各自的光传感器，可取得重合的画像，不需要画像的配合；

·摄影时，需要衬砌表面具有50Lux照度的环境

·摄影时需有均匀的照明；

·不需要焦点配合；

·各自取得画像范围，需要重合；

·摄影速度的高速化比较容易实现；

·不影响隧道内其他作业

图9是利用能够检测0.1°C温度差的红外线摄象机，检测衬砌的温度差，判断衬砌的剥离状态和开裂状态。

该法比锤击检查精度高，对深度10cm左右的剥离可以判断出来。

图9红外线相机的测定结果示例

2．衬砌变形的检测方法

隧道断面形状的检测目前普遍采用激光断面测试仪，它同时可以测定净空断面的位移，精度可以满足要求。

图10CCD数码相机+全站仪

净空位移的测定方法很多,但多采用收敛计量测，这些方法大家比较熟悉，可参阅有关文献资料。

下面仅就近几年发展起来的采用数码相机进行净空位移和形状量测的技术加以说明。

目前一些国家在隧道及地下工程中，采用数码相机摄取隧道断面的有关数据，如变形数据等，就可以比较方便、可靠地进行隧道净空变形观测。

这是一项具有高科技含量和较好发展前景的技术，即信息技术在地下工程中的具体应用。

该方法设备简单，仅仅需要一台或数台较高分辨率的数码相机及相应的附属配件就即可进行。

如日本京都大学提出的用数码相机进行隧道净空位移量测的研究成果，其精度达到1mm，满足了隧道净空位移量测的要求。

此外，采用数码相机进行衬砌及支护表面开裂的观察，推定衬砌及支护的受力状态，也取得了一定的成果。

由此可见，数码相机画像处理方法在隧道中的应用，是有重要影响和意义的。

目前此方法风糜日本，日本许多会社投入巨额资金纷纷开发此系统，例如日本清水建设（株）开发的能够有效的、以足够精度进行隧道净空三维量测的系统，其概貌如图10所示。

用装配有软件的笔记本电脑和小型CCD相机，利用画像解析技术，就可以准确地检测岛正确的位置。

视准作业时只要把微机画面上的十子线作为基准标点和量测标点对准就可以了，与过去用视准望远镜的方法，不会产生人为误差，也不麻烦。

量测精度在距离100m的地点进行测定时，误差在1mm以内。

收敛量测的确认作业需要较长时间，此时可以大大缩短确认作业的时间。

日本京都大学和飞岛建设（株）合作开发的精密摄影测量系统软件，可以处理从各种角度进行摄影的照片，求出设在对象物上的标点的三维坐标。

事先在对象物上设置标点，而后从各种角度进行测定，最后根据照片画像的视差的不同，认识表达的位置，并自动地计算出三维坐标。

对长度为7m的对象物从100m处进行摄影时，误差在2~3mm以内。

其测定概貌如图11。

图11隧道净空位移量测

还有一个事例，也是京都大学与鹿岛建设（株）共同开发的。

在壁面上设置多个反射标点，这些标点事前最少已知4个，而后可在任意位置进行摄影。

将数据输入微机，认识各标点的位置，而后根据各标点的相对位移进行解析，求出壁面的形状和位移的分布，其精度在0.1mm以内，其测定概貌如图12。

图12测定概貌

此外，早稻田大学与大林组（株）也合作开发出一种已经实用化的系统，首先在壁面设置标点，随着开挖，用CCD相机进行摄影，把摄制的照片在微机上修正，并计算与量测基准点的移动量，输出形状和尺寸、位移值。

该法使用时，即使量测点增加，只要在一次量测的范围内，也不会增加量测作业。

其概貌见图13。

图13测定概貌

图15净空位移测定结果断面图

总之，世界各国已广泛地开展利用摄影和画象处理方法，进行隧道净空位移量测，评价隧道稳定性和支护效果，发现变异等。

这主要是因为摄影方法相对简单、可靠、客观，画象处理技术可根据解决问题的需求和实际情况进行软件的研制，因此，这是一种很有发展前途的技术。

在很大程度上可以消除人为的主观判定的误差，促进了隧道施工技术的发展。

施工要点二混凝土及喷混凝土强度的检测方法

1．衬砌质量及强度的早期检测方法

为了保证混凝土达到预期的强度，在混凝土龄期初期阶段采用适当的方法进行判定是很重要的，也是一个极为现实的问题。

因为经过一定时间后如果判定不合格，对其进行处理是很困难的。

早期判定方法主要有两类。

一类是以水泥量和水灰比测定值为指标的试验方法，一个是以促进水化反应的强度试验。

1）水灰比等早期判定方法

对未硬化混凝土的水灰比、单位水泥量等决定混凝土硬化后力学特性的指标进行测定有物理方法和化学方法。

溶解热法就是其中之一。

所谓溶解热法就是利用盐酸的反应热测定砂浆试件的水灰比指标，用这个指标来推定混凝土28d的抗压强度，该方法的大致过程如下：

取通过5mm筛子的混凝土砂浆试料约200g，用200L的杯子取出试料，测定试料的空中重量；而后用一定量的水稀释、搅拌，停置5min让试料沉淀；然后再加水，测定试料的水中重量；把试料放进一个简单的隔热容器（图1）中，加入盐酸使之反应，根据此时产生的发热量与水泥量成正比的关系，按下式求出水泥量及水灰比。

图1隔热容器图2不同配比的最高温度例

水泥量（g）=2.92×温度差-33.2

温度差=最高温度-{0.8×稀释液温度+0.2×盐酸的温度}

水量（g）=试料的空中重量-{试料的水中重量-水泥量×水泥比重-1/水泥比重}×细骨料比重/细骨料比重-1+水泥量]

水灰比（%）=水量/水泥量×100

此方法测定需25min左右，精度在2%以内。

这种测定混凝土早期强度的方法，实质上就是测定混凝土拌和物水灰比等与强度有关的参数，而后根据计算预测其28d强度，如预测值与设计值有出入时，可立即更改混凝土的配合比参数，这种方法在日本、欧洲等国家采用较多。

2）促进强度试验的方法

这是直接测定早期强度的一种方法，可靠性比较高，但需要时间，有的需3h、有的需24h，也有48h的，可根据需要选择。

例如快速硬化强度试验方法的过程如下：

取未硬化试料5kg，这是用5mm筛子取得的，均匀拌和后取出500g；将6g的速凝剂混入试料中，拌和后立即放进模型内做好试件；在高温养生槽中养生50min后取出，进行试验，并用下式求出混凝土强度。

σc=pσm+q

式中：

σc：

推定的混凝土抗压强度

p、q：

预先通过试验决定的常数

σm：

快速硬化后的抗压强度试验值

3）衬砌强度无损检测方法

（1）回弹法

衬砌强度简易测定可采用混凝土回弹仪,利用回弹硬度来大致推定混凝土的强度。

回弹仪的概貌见图3。

图3回弹仪

为保证数据的可靠性,一个部位的测定次数不应少于20次（图4）,取偏差小的20个点的平均值作为回弹度R,并按下式求出回弹强度F

F=13R0-184（kgf/cm2）

式中R0=R+△R

修正值△R视打击方向由图5求出。

图4回弹硬度测定位置图5打击方向的修正值

2．射钉法

该系统系日本开发的以气压射钉枪原理为基础的强度测试系统，检测原理为，在恒定空气压力下将经过特殊标定的射钉打入所检测的对混凝土内，由其射入深度标定公式推算其强度。

气压射钉枪系统如图6所示。

整个系统由射钉枪、空压计、空压管、空压机、数显深度游标卡尺等组成。

图6射钉法概况

射钉枪是该检测系统的主要组成部分之一，用于凝土强度检测。

射钉是经过特殊标定的合金钢钉，其形状尺寸和机械性能离散性很小，根据检测强度范围的不同，射钉分为射钉A和射钉B两种，射钉A：

10～30MPa，射钉B：

1OMPa以下。

图7是混凝土强度与射钉贯入深度的关系曲线。

图7

2．喷混凝土强度的检测方法

喷混凝土初期强度的快速测定，日本多采用上面所介绍的“射钉法“，效果是相当好的。

施工要点三衬砌厚度及背后空洞状态的检测方法

衬砌内部和背后状态是隐蔽的，从表面上看不出来。

为此，开发出许多具有实用价值的检测方法。

其中最常用的方法有打击声法和电磁波法。

下面主要介绍这两种方法

1．打击声法

该法采用打击衬砌表面，通过打击衬砌时，在有空洞与无空洞、有剥离与无剥离的声音的不同来判定有无空洞或剥离。

这本来是一个古老而传统的方法，凭感觉在大范围进行简便的检查。

最近几年由于电子技术的发展，打击声法获得了很大的发展。

打击声法检查的同时也可把剥离部分敲落，因此在以下的调查项目中应用较多。

·有无剥离；

·有无压溃；

·衬砌有无块状化；

·衬砌表面的劣化状态；

·衬砌内部的缺陷；

·极端的厚度不足或背后有无空洞。

健全的衬砌打击声是清音，有变异的衬砌是浊音。

以下是打击声方法的一个例子（图1、照片1）。

·为了判定内部状态用锤在1个地点锤击3次以上；

·锤击间隔大致在50cm左右；

·在开裂的0.2m以内范围内进行；

·记录变异展开图。

图1打击声法检查的实施方法示例

照片1打击声检查的实施状况

图2是打击声检测的结果。

图2打击声检测背后剥离的状态

但打击声检查也存在以下问题：

·很难掌握衬砌内部的状态；

·记录检查结果的作业需要时间；

·与产生人为的误差；

·衬砌拱顶的检查非常困难。

为此，目前正在开发自动打击声检查系统，并已经开始实用化。

图3是自动打击声检查系统的模式图。

图3自动打击声检查系统（模式图）

佐藤工业开发的隧道衬砌自动打击声检查装置示于照片2。

采用能够检出加振力的脉冲锤，根据锤击声的不同，获得客观判断的结果。

脉冲锤和麦克风一体化的打击声检测装置，可设置在台车上的走行钢轨上，能够沿隧道纵向12m，圆周方向2.5m的范围内移动。

一次可检查约30m2的面积，可瞬时解析打击声，自动判断变异地点。

钢轨能够伸缩、倾斜，可检查任意形状的隧道。

60m2面积，按50cm间隔打击，共240个点的测定时间约40min。

照片2自动打击声检测装置

2．电磁波法

电磁波法又称为地质雷达法。

在国内外隧道衬砌厚度和背后空洞状态的检测中应用较多。

是一个比较成熟的检测方法。

电磁波法是在衬砌表面设置的电磁波发送天线断续地放射100MHz~1GHz的高电磁波，而后用接受天线接受从衬砌表面及衬砌背后、围岩表面的反射波，根据其到达时间，求出衬砌厚度、衬砌背后空洞位置及规模，也是衬砌厚度、背后空洞检测的常用方法。

图4是电磁波法的原理．图5是采用电磁波法的测定例。

图4电磁波法的原理

图5电磁波法的输出示例

电磁波法的系统是由雷达量测和数据处理装置构成的。

系统的规格列于表1。

表1雷达两测系统的主要规格

系统

量测速度

最高2km/h

量测范围

衬砌厚度0~80cm（最大1.5m）

空洞深度0~150cm

量测量程

重量

深度1.5m

天线部8kg操作部60kg

雷达部

送信波

量测速度

频率：

800MHz

PRF：

1MHz

最高：

4km/h

数据解析

解析

输出

详细解析：

测线长每1m

一般解析：

测线长每2~5m

隧道纵向断面图、隧道横断面图、每1m的衬砌厚度、空洞深度、空洞体积

量测的输出结果示例于图6和7。

图6隧道纵向断面图图7隧道横断面图

除了上述两种方法以外，还有超声波法、弹性波法等等，在一定场合也可以应用。

3．超声波方法

这是利用发振子和受振子从超声波的速度和波形检知混凝土强度、开裂深度、剥离的方法。

超声波测试有以下方法：

·固定好发振子，一边向某方向移动受振子，求出超声波的初动到达时间，根据得到的时态曲线求出开裂处的不连续时间，再测定有开裂的传播时间，就可以计算开裂的深度。

·求出健全地段混凝土中的超声波传播速度，然后根据测定的有开裂的传播时间，求出开裂深度的方法。

·根据超声波的反射走时，求衬砌厚度的方法。

其测定原理示于图8。

图8利用超声波原理的测定示意图

头1种测定方法的例子，其仪器示于图9。

图10是该法的计算开裂深度的方法。

另外2种方法的超声波测定仪示于图11。

图9解析器图10开裂深度的测定

但是，不管那种方法，使用都是不多的。

装置虽然简便，但需要一些技巧，这要依靠有经验的专家指导。

此外得到的数据，最好用其他方法进行校核。

图11混凝土超声波测定器

（4）弹性波法（图12）

在原理上与电磁波法类似，但是用锤击衬砌表面输入弹性波，来代替电磁波，利用物质的弹性波传播速度的差异，来求出衬砌内部缺陷的方法。

图12弹性波法的原理

（5）红外线法

红外线法是采用红外线相机对壁面温度分布进行摄影和画像处理，检出有无剥离、地下水的方法（图13、14）。

图13红外线画像检测剥落的原理图14热画像判断剥离的评价

结构物内部有剥落存在时，其与健全部分产生温差，因此可以根据结构物表面的温度分布的热画像，判断剥落地点，对判断剥离的评价可根据图15进行。

图15剥离检知原理

综合上述，衬砌内部及衬砌背后的调查方法列于表2。

表2是衬砌内部及衬砌背后调查方法（非破坏检查）的评价。

方法

适用性

检查范围

备注

表层

内部

背后

打击声

○

△

△

点

·厚度薄、一定的场合有效

·检查深度大的场合，要进行研究

超声波

○

○

△

点

·能够检出衬砌背后有无空洞

·可移动型

电磁波（雷达）

△

△

◎

线

·可多测线同时测定

·检查速度2~3km/h

冲击弹性波

△

○

△

点

·已实用花

·可移动型

音响弹性波

△

○

△

点

·开发中

热红外线

○

△

△

面

·车载系统，已应用

中性子

△

△

—

点

·正在研究阶段

注：

◎：

已广泛利用；○：

已实用化，但需要改进；△：

试验应用；—：

难于应用

表层：

衬砌表面附近部分的状况；内部：

衬砌内部的状况；背后：

衬砌厚度、有无空洞、大小等。

施工要点4·锚杆灌浆密实度的检测方法

锚杆压浆密实度的检测，一直是个技术难题。

目前，日本已开发出超声波检测装置，有的国家，也采用锤击方法进行检测。

从现有技术水平看，都还存在一些问题。

从目前的施工状态看，锚杆压浆密实度是不理想的，因此，在很大程度上，影响了锚杆的锚固效果。

在这种情况下，开发一种有效的检测锚固压浆密实度的方法是很必要的。

Boltometer011是砂浆锚杆的原位非破坏试验仪器的一种样式，它为工程技术人员提供了一种可以“看到岩石里面去”的仪器，并且如果某一特定的锚杆未能完成自己的功能，该仪器也能指示出来。

这可以增加我们在一般性岩石补强和特定锚固技术方面的知识。

Boltometer011是采用特定设计的传感器，包含有压电晶体，压电晶体被安装在靠近锚杆的自由外端部位。

该晶体作为激发点，将弹性波传入锚杆。

弹性波在锚杆中传播的时候，部分能量将转移至水泥浆直至岩石中，因此将减小弹性波的振幅。

在锚杆的内部端点上，弹性波会被反射，反射波可以在锚杆的外部端点上用该压电晶体作为接收器加以监测。

如果锚杆周围的水泥浆的质量良好，并且覆盖了锚杆的全长，那么反射波的振幅将比水泥浆多孔或缺失时的振幅小得多。

由Boltometer传感器记录到的高振幅的反射波将表明水泥浆性能较差，通过对参考锚杆振动试验记录到的弹性波的振幅进行分析，可以对水泥浆的性能和现场锚杆的性能进行分级。

另外，激发时刻和接收反射波时刻之间的时间间隔可以用于计算到反射点之间的距离。

Boltometer只是设计用来测试砂浆锚杆的，它已被成功地应用于许多钢筋和管式锚杆的测试之中，并且在下列条件下使用可以确保实现其最佳功能。

·钻孔直径为25-40mm

·锚杆直径为20-30mm

·锚杆长度应大于0.8m

·水泥注浆长度小于4.0m

·锚杆外端部必须平滑以保证传感器接触良好

在经过液压千斤顶校核的Boltometer进行现场试验所得的结果的基础上，提出了一种对砂浆锚杆的实用的分级建议，如表1所示。

Boltometer将根据建议的分级体系自动显示出相关的锚杆等级。

表1分级体系

等级

Boltometer信号

估计的锚杆性能

A

无反射波

最适宜

B

较小弯曲波反射

有所削弱

C

较大弯曲波反射

不足

D

有压缩波或很大弯曲波反射

非常弱或不存在*）

*）锚杆可以通过液压千斤顶的方法拔出（有时大锤的重击或振动也可能使锚杆松动）。

砂浆锚杆的状态和锚杆等级之间的关系为：

锚杆等级A对应于具备最适宜功能的锚杆。

例如：

具有优良质量的连续的水泥浆（较低的水灰比）和沿杆体方向无损坏或裂缝。

锚杆等级B对应于性能稍微有所减弱的正常的锚杆。

例如：

或者水泥浆没有能够覆盖住锚杆的全长，或者强度有所降低（较高的水灰比）。

锚杆等级C对应于性能不足的锚杆。

例如：

水泥浆数量和质量的重大削弱和／或锚杆的重大损坏。

锚杆等级D对应于性能有重大削弱或根本不存在任何性能的锚杆。

例如：

水