矿山法隧道复合式衬砌工后质量控制技术知识.ppt

,s o u t h w e s t j I a o t o n g u n I v e r s I t y,西南交通大学Southwest Jiaotong University,2015年8月,矿山法隧道复合式衬砌工后质量控制技术,仇文革 教授,一、概述二、开挖轮廓控制三、掌子面地质素描四、喷砼质量检测五、锚杆质量检测六、钢架、喷砼背后缺陷 七、初支内轮廓八、防水板工艺改进九、模筑砼质量检测十、衬砌内轮廓及净空检测十一、隧道结构耐久性控制,汇报提要,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,一、概述,西南交通大学Southwest Jiaotong University,一、概述,隧道工程是一项隐蔽性很强的工程，其施工是一个动态过程，因此，通常按施工的先后顺序将工程质量控制分成三个阶段：即施工前检测、施工中检测和施工后检测。（1）施工前检测施工前检测主要是与现场中心试验室配合，对结构的原材料、混凝土配合比、外加剂等进行检测，防止不合格的材料进入施工现场，只有用合格的材料才能修建出合格的工程。,1、隧道质量控制过程,一、概述,（2）施工中检测目前的质量控制大多是“重二衬，轻初支”，实际上隧道初期支护是隧道的主要承力结构，对整个隧道结构的耐久性起着相当重要的作用，故在隧道施工质量过程控制中，对初期支护的施工质量均需进行必要的检测。施工中检测主要包括：开挖断面、锚杆质量（长度、砂浆饱和度、抗拔力）、钢拱架或格栅钢架、喷混凝土强度、厚度及背后空没事等，主体为初期支护。（3）施工后检测隧道施工完成后，检测的主要项目为隧道净空、二次衬砌强度、二次衬砌厚度、衬砌内钢筋、混凝土密实度以及衬砌背后空洞等，主体为二次衬砌。,1、隧道质量控制过程,一、概述,2、隧道质量检测主要项目及方法,（1）按施工过程,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,二、开挖轮廓控制,西南交通大学Southwest Jiaotong University,开挖轮廓控制的内容、方法及仪器设备,隧道允许超挖值（cm）,实际施工中，周边孔开口位置e有三种情况，其出现机率和差值大小则主要决定于钻孔水平。第1种情况（a）不影响超欠挖；在（b）的情况时，将使超挖增加一个e值，而第3种情况，将使超挖减小一个e值，但出现欠挖。因而，钻孔时先定位，后钻进，并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线，把e控制在较小范围内（约在3cm）是可能的。,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,1、激光断面仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,开隧道开挖后，检测隧道开挖断面情况可采用激光断面仪（如国产BJSD-2型隧道限界检测仪）进行检测，通过激光断面仪对开挖断面检测、数据处理后，可以评价隧道开挖质量、评价超欠挖情况等。,BJSD-2型隧道限界检测仪 隧道断面现场检测照片,在隧道开挖后，将激光断面仪架设在检测横断面上对开挖轮廓进行检测，对实测数据进行分析处理，得出隧道开挖轮廓断面，与设计的开挖线相比较，可评价隧道开挖的超欠挖情况，对隧道的开挖质量进行评价，详见图3、4所示。,图3 开挖断面与设计轮廓比较图,图4 检测断面数据统计,1、激光断面仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,BJSD-2型隧道限界检测仪专用软件界面,1、激光断面仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,在普通激光测距基础上又进一步融合影像处理技术、遥感技术直接成果：三维点云、雷达影像、与测站距离后续成果：影像特征、内表面几何等,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,用大空间相位式三维激光扫描仪（型号Focus 3D 120）进行隧道几何技术尺寸、断面尺寸及变形量测定。该仪器可在隧道无光照条件下以每3分钟20米的外业速度、976000点/秒的精度、每测站仅需25分钟的高效率、毫米级点间距的格网“实景复制”隧道内表面，一次作业即可全面检测断面收敛、净空分析、中心轴线坐标、隧道异状等隧道工程检测项目。,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,将三维激光扫描仪架设在准备工作的隧道中线上做为测站1，将2个参考球A、B（如图下图所示）沿隧道纵向放在仪器外10m距离，参考球A、B的摆放要能够良好识别并有一定高度差。,测站1扫描示意图,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描360度后，会保存三维点云数据，并在显示屏上显示出隧道云图。,扫描完成后显示的隧道云图,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,测站1扫描完成后将三维激光扫描仪沿隧道轴线向前搬动20m距离，在隧道中线上架设为测站2，参考球A、B保持原位不动，将参考球C、D沿隧道纵向放在仪器前方10m距离（如下图所示），参考球C、D的摆放要能够良好识别并有一定高度差。,测站2扫描示意图,开机扫描测量，当三维扫描仪自动扫描360度后，会保存三维点云数据，并在显示屏上显示出该段隧道云图。重复以上步骤直至整个隧道扫描结束。,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,左图为500万数码相机拍摄照片，右图为激光雷达影像,成像对比：,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,高分辨率扫描图像,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,对点云数据处理，生成正射激光雷达影像，每个像素都具有坐标信息。,里程,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,太行山隧道掌子面及洞周影像,2、3D激光扫描仪,（一）开挖轮廓及超欠挖控制,超欠挖方量,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,三、掌子面地质素描,西南交通大学Southwest Jiaotong University,一、系统开发基本情况介绍二、隧道掌子面数字图像采集 三、基于掌子面图像的分析 四、系统实现及应用,本节主要内容,（一）系统开发基本情况介绍,本系统以随隧道施工跟踪拍摄的掌子面数码图像为主要原始数据，通过数字图像处理技术，自动提取掌子面上的节理、裂隙等边界信息，辅以人工干预，实现对掌子面的特征分析和生成掌子面地质素描。同时，根据相邻掌子面上主要的结构面迹线间的对应关系，建立三维结构面模型，实现对三维结构面的横向、纵向剖切、掌子面前方三维结构面预测。,（一）系统开发基本情况介绍,系统中掌子面图像的基本处理流程,（二）隧道掌子面数字图像采集,1、采集设备（1）照明设备：使隧道掌子面具有一定亮度（2）三角架：保持相机平稳和稳定，提高图像采集质量（3）钢卷尺：设置图像距离与实际距离的比例尺（4）数码相机,（二）隧道掌子面数字图像采集,2、图像采集过程刚卷尺测量掌子面上两点间距离调整三角架位置调整相机碘钨灯照明图像采集记录掌子面里程 测量结构面产状,（三）基于掌子面图像的分析,1、隧道掌子面图像预处理为弥补实际隧道掌子面数码图像质量上的不足，考虑通过图像处理算法实现对隧道掌子面数码图像的处理，以使图像质量更佳。,原始图像,直方图均衡化,（三）基于掌子面图像的分析,原始图像,色相/饱和度调整结果,灰度折线变换,亮度/对比度调节,（三）基于掌子面图像的分析,原始图像,最小值滤波,中值滤波,最大值滤波,USM图像锐化,2、边缘检测及边界提取检测并提取出掌子面图像中的节理、裂隙等边界。,原始图像,边缘检测结果,测试图像,边界自动提取结果,（三）基于掌子面图像的分析,3、人工智能剪刀通过边界提取算法提取的岩体节理、裂隙等边界可能存在错误或遗漏，因此需要在图像处理过程中加入人机交互功能，删除错误边界并加入遗漏的边界。人工智能剪刀是通过鼠标操作和自动搜索功能相结合实现对节理、裂隙等边界的半自动提取。,原始图像,人工智能剪刀,（三）基于掌子面图像的分析,4、隧道掌子面结构面特征分析根据提取出的节理、裂隙等，统计分析以下特征参数。结构面延续长度单位面积裂隙总延长结构面视倾角节理组数结构面间距 岩石质量指标RQD,（三）基于掌子面图像的分析,（三）基于掌子面图像的分析,5、三维结构面分析根据相邻掌子面上属于同一结构面的边界线的对应关系，可建立空间三维结构面图形。一个结构面在一定范围内可近似为一个平面，由此可预测掌子面前方的结构面，如下图所示。另外，根据三维结构面，可分析得到其不同方向的剖面。,（四）系统实现及应用,隧道掌子面地质信息系统（TFGIS）包括了隧道掌子面平面图像处理和隧道三维地质图像分析两部份。,系统功能,（四）系统实现及应用,“平面图像处理”主界面,（四）系统实现及应用,“三维地质图像分析”主界面,（四）系统实现及应用,通过人工交互功能，生成地质素描图,ZK1+505.2地质素描图,ZK1+507.3地质素描图,（四）系统实现及应用,根据结构面边界线图形，自动提取结构面特征参数,隧道掌子面特征参数,（四）系统实现及应用,隧道地质结构面的三维重建,结构面视图,隧道三维实体视图,（四）系统实现及应用,隧道掌子面及结构面视图1,隧道掌子面及结构面视图2,隧道地质结构面的三维重建,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,四、喷混凝土质量检测,西南交通大学Southwest Jiaotong University,初期支护质量检测的内容、方法及仪器设备,（一）喷混凝土强度,1、气压射钉枪强度检测系统,根据喷混凝土表面特征，宜采用气压射钉枪无损检测方法对其强度进行检测。整个系统由射钉枪、空压计、空压管、空压机、变压器、数显深度游标卡尺等组成。其中变压器为国产多功能变压器，由于气压射钉枪系统额定工作电压为100伏，故通过变压器将国内220伏转换成100伏。气压射钉枪检测系统及射钉枪照片详见下图。,气压射钉枪强度测试系统示意图,气压射钉枪的工作原理是射钉枪在恒定高压气体推力作用下推动经过特殊标定的射钉高速进入混凝土中，一部分能量消耗于钢钉与混凝土之间的摩擦，另一部分能量由于混凝土受挤压破碎而被消耗，发射枪引发的子弹初始动能是恒定的，则其贯入深度取决于混凝土的力学性质，通过射钉的贯入度可推定混凝土强度（深度与强度的关系由实验标定公式确定）。,（一）喷混凝土强度,1、气压射钉枪强度检测系统,气压射钉枪检测方法具有检测结果客观可靠、操作方便、省工省时等优点,在隧道初期支护喷混凝土的强度检测中发挥了重要作用,取得了令人满意的结果。,喷混凝土强度与射钉贯入深度关系曲线,（一）喷混凝土强度,1、气压射钉枪强度检测系统,在检测中，对喷混凝土的早期强度及晚期强度进行检测，通过大量的试验建立起强度龄期成长曲线后，即可通过检测早期强度预测晚期强度，用以及时调整施工方法及配合比参数，以确保隧道初期支护喷混凝土的晚期强度是否满足要求。这是其他方法不便实现的。,（一）喷混凝土强度,1、气压射钉枪强度检测系统,2、超声-回弹综合法,1）根据要求布置强度测区，隧道强度检测时测区一般布置在左边墙、右边墙、拱顶等位置；2）在确定的测区内，用超声回弹模子标出回弹的弹击点及超声声速值测点，用混凝土回弹仪测试回弹值（16个测点），用超声波检测仪测试3个超声波声时值（取其平均值）；3）在检测的同时，由专人对回弹值、超声波声时值作好记录。4）将现场测试的回弹值、超声值按规范要求进行修正后，利用经验公式计算测区混凝土强度的推算值（若有钻芯取样，还要结合抗压强度进行修正），从而对整个隧道衬砌混凝土强度进行评定。,（一）喷混凝土强度,回弹测点示意,超声测点示意,（一）喷混凝土强度,2、超声-回弹综合法,对衬砌混凝土强度检测采用超声-回弹综合法结合少量的钻芯取样进行检测。超声波测试仪及回弹仪见图:,NM4B超声波测试仪,TICO超声波测试仪,（一）喷混凝土强度,2、超声-回弹综合法,2000数显回弹仪,机械混凝土回弹仪,（一）喷混凝土强度,2、超声-回弹综合法,（1）超声-回弹检测 在隧道内沿纵向每隔一定距离、在不同部位设置测区，采用混凝土回弹仪在测区内测得隧道衬砌混凝土的回弹值，并用超声波测试仪在相同测区内测得超声波在隧道衬砌混凝土中传播的波速，再根据“回弹超声”综合法的以下公式求出隧道衬砌混凝土推定强度值。,（一）喷混凝土强度,2、超声-回弹综合法,（2）钻取芯样检测 钻芯取样为局部检测，主要用于修正超声回弹所得混凝土的强度。芯样钻取位置必须在超声回弹检测范围以内，在现场采用钻机（如：ZKJ200型金刚石钻机）钻取芯样（芯样直径：100或150）后，在室内进行芯样试件制作并养护后采用压力试验机（NYL60型）对芯样试件进行抗压强度试验，得出衬砌混凝土芯样强度值。通过超声回弹综合法无损检测结合少量钻芯取样进行修正的方法（见下式）得出隧道衬砌混凝土的强度，并将其结果与设计强度进行比较分析，得出隧道衬砌混凝土强度是否满足要求。,（一）喷混凝土强度,2、超声-回弹综合法,钻芯机,（一）喷混凝土强度,钻芯修正后的换算强度可按下列公式计算：,2、超声-回弹综合法,（一）喷混凝土强度,3、现场检测照片-超声回弹综合法,（一）喷混凝土强度,3、现场检测照片-超声回弹综合法,（一）喷混凝土强度,3、现场检测照片-超声回弹综合法,（一）喷混凝土强度,4、取芯及试验照片-钻芯法,（一）喷混凝土强度,4、取芯及试验照片-钻芯法,（一）喷混凝土强度,4、取芯及试验照片-钻芯法,（一）喷混凝土强度,4、取芯及试验照片-钻芯法,（一）喷混凝土强度,4、取芯及试验照片-钻芯法,（二）喷混凝土厚度,1、激光断面仪法,在隧道开挖后，用激光断面仪对开挖断面进行测量，待喷混凝土施作完成后，在相同断面作净空断面进行测量，利用两次测量结果的差值，可得出该断面混凝土厚度的准确值（见下图）。,喷混凝土厚度,喷混凝土后检测断面,开挖后检测断面,（二）喷混凝土厚度,2、3D激光扫描仪法,在隧道开挖后，用3D激光扫描仪对开挖断面进行测量，待喷混凝土施作完成后，在相同断面作净空断面进行测量，利用两次测量结果的差值，可得出该断面混凝土厚度的准确值（见下图）。,（二）喷混凝土厚度,利用雷达波通过结构、构造物反射回来的波形差异进行分析处理检测对象。一般运用于检测区域较大、检测对象复杂，要求检测精度适中，且检测速度较快的情况。地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布。地质雷达的发射天线向混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波，电磁波遇到具有不同介电特性的混凝土与围岩界面时有部分返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质的剖面图像。根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数。,1）检测原理,3、地质雷达法,式(1),脉冲波走时按式（1）进行计算:,式中:值在剖面探测中是固定的；值(mns-1)可以利用现成数据或测定获得，由上式可得目标体的深度值()。,反射探测原理图 检测结果与实际结构的对照图,隧道衬砌与围岩的相对介电常数的对比决定分层是否“可见”。当存在缺陷时，由于缺陷与良好衬砌或围岩间的介电常数的对比差异，也使得缺陷“可见”，见上图右。,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,采用地质雷达对混凝土厚度进行检测前要解决的问题：天线频率的选择、雷达波在喷混凝土中的波速标定。地质雷达各频率天线均有各自适宜的探测深度及分辨率，根据混凝土的厚度，宜选用900MHz或1000MHz天线；对于波速标定，建议采用激光断面仪通过断面检测得出混凝土厚度来实现.,RAMAC型地质雷达各频率天线,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,图1 RAMAC 型主机,图2 1000MHz天线 图3 500MHz天线,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,2）测线布置,实际工程中，通常要求沿隧道纵向设置拱部的3条纵向测线。测线每510m 应有一里程标记。测线布置见下图：,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,图4 雷达测线纵断面布置图,图5 雷达测线横断面布置图,图6 检测方式图,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,3)混凝土厚度,地质雷达发射天线向隧道混凝土内发射高频宽带短脉冲电磁波，电磁波遇到具有不同介电特性的混凝土与围岩界面时部分会由反射返回，接收天线接收反射波并记录反射波的旅行时间。根据接收到波的旅行时间(双程走时)、标定的地质雷达在混凝土中的波速值，再由式（2）可求出混凝土厚度。(2)式中:v地质雷达波的波速；t地质雷达波的双程走时。,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,衬砌与围岩间会存在明显的反射层，从而利用此反射层来探明二次衬砌混凝土的厚度，见下图。,衬砌与围岩间存在的明显反射层及层位追踪图,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,上图为衬砌厚度检测图象，用时间触发方式检测,用RAMAC/GPR雷达，500兆屏蔽天线。,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,上图为隧道拱顶衬砌厚度检测,采用RAMAC/GPR CUII主机,500兆屏蔽天线,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,上图为用瑞典MALA公司的CUII主机,500兆屏蔽天线在隧道拱脚处检测的雷达图像,可以清楚看到二衬界面和钢拱架.,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,上图为在隧道拱腰处用500兆天线做的。距起点200米的左侧是钢筋网（隧道内绝大部分是这种结果），右侧是水侵入区域，钢筋图像不清楚；二衬的底界面由于大量充水，界面非常清楚。,（二）喷混凝土厚度,3、地质雷达法,（三）初支背后缺陷,1、地质雷达法,在混凝土内存在不密实以及背后存在缺陷时，均可由地质雷达剖面图上所反映的信息进行判断。混凝土背后的缺陷形式主要有不密实及空洞两种情况。混凝土及背后存在不密实：不密实的衬砌混凝土体及混凝土背后不密实的围岩在地质雷达剖面图上的波形杂乱，同相轴错断。,存在不密实的雷达波检测图,1)不密实,喷混凝土与围岩之间有空洞:由于空气与混凝土介电常数差别较大，电磁波在混凝土与空气之间将产生强反射信号。当空洞比较大时，围岩界面清晰可见，在地质雷达剖面图上主要表现为在混凝土层以下出现多次反射波，同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位，且其能量明显增强。,存在空洞的雷达波检测图,（三）初支背后缺陷,1、地质雷达法,2)空洞,（四）喷混凝土质量检测照片,（四）喷混凝土质量检测照片,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,五、锚杆质量检测,西南交通大学Southwest Jiaotong University,锚杆质量检测的内容、方法及仪器设备,锚杆是将破碎或不稳定岩体(块)与牢固稳定的岩体连结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(块)与锚杆连结在一起的作用（图1）。要让锚杆能发挥设计的效果，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（保证注浆饱和度）。,图1 理想锚杆受力示意图,（一）锚杆长度及注浆饱和度,锚杆长度及注浆饱和度均采用应力反射波法检测。检测仪器为锚杆质量检测仪，见下图。,锚杆质量检测仪,1）锚杆长度 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,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。根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以用(1)式求出锚杆长度L，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。,式中:vc锚杆中应力波传播速度;t应力反射波的双程走时。,（1),应力波在锚固界面上的反射,（一）锚杆长度及注浆饱和度,2）注浆饱和度 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。,全锚锚杆实测波形与锚固质量结果,（一）锚杆长度及注浆饱和度,2）注浆饱和度 利用应力波这一传播特性来判断注浆饱和度情况，对于注浆饱满的，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，近于指数衰减；对于注浆饱满程度差的，则砂浆和岩石间的耦合性差，可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱，衰减慢。根据不同方向、不同部位击震的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断。,部分锚固状态实测波形及锚固状态分析结果,（一）锚杆长度及注浆饱和度,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，将液压千斤顶放在托板和螺母之间，拧紧螺母，施加一定的预应力，然后用手动液压泵加压，同时记录液压表和位移计上的对应读数，当压力或者位移读数达到预定值时，或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时，停止加压。测试后，整理出锚杆的位移-荷载曲线，进而分析出试验锚杆的抗拔力大小。试验时锚杆的受力状态见图2。,图2 抗拔试验时锚杆的受力示意图,（二）锚杆抗拔力,试验证明：对于高强螺纹锚杆，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力不再随锚杆长度的增加而增加。隧道锚杆的长度与直径比达到几百倍，而且，由图1、2可知，锚杆拔抗试验与实际锚杆的受力状态有很大不同，得出锚杆抗拔力与锚杆质量没有必然的相关性，若仅采用抗拔试验，可能导致将不合格锚杆依其抗拔力评定成合格锚杆。所以，对锚杆进行检测时，要采用应力波法对锚杆的锚固质量进行无损检测，再配合抗拔力试验进行综合分析，可对锚杆的锚固质量作出较全面的评价。,（三）锚杆检测方法评述,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,六、钢架检测,西南交通大学Southwest Jiaotong University,钢架检测的内容、方法及仪器设备,在隧道中所使用格栅或型钢拱架，也是隧道初期支护质量控制中所关心的问题。由于喷混凝土中存在格栅或型钢拱架时，地质雷达剖面图中信号会有变化，可通过这些信号的变化检测出隧道施工中所施作格栅或型钢拱架数量。,（一）钢架,1、格栅当混凝土中存在钢筋时，雷达剖面图中将产生连续点状强反射信号，当混凝土中有格栅拱架支撑时，靠得较近的两主筋将形成两个点状强反射信号，则两个点状信号形成类似于字母M形状的反射信号，每一个这样的雷达波信号就对应着一榀格栅拱架支撑，由此信号总数即可统计出整个隧道纵向的格栅拱架支撑数量。,存在格栅拱架的雷达波检测图,呈M形的格栅支撑,存在钢筋的雷达波检测图,1000MHz天线检测出的衬砌内存在钢筋的地质雷达图像,500MHz天线检测出的衬砌内存在钢筋的地质雷达图像（标点间距2m）,（一）钢架,1.6GHz天线采集的数据，钢筋更加清晰,上图为在隧道拱腰处检测的钢筋网图像，用1000兆天线,（一）钢架,2）型钢当混凝土中有型钢支撑时，雷达剖面图中将出现特别强的月牙形反射信号，每一个这样的信号表示有一榀型钢拱架支撑，由此信号总数即可统计出整个隧道纵向的型钢拱架支撑数量。,存在型钢拱架的雷达波检测图,（一）钢架,2）型钢,衬砌内有钢架的地质雷达图像,（一）钢架,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,七、初期支护内轮廓检测,西南交通大学Southwest Jiaotong University,初期支护内轮廓检测的内容、方法及仪器设备,（一）初期支护内轮廓检测,1、激光断面仪法,初期支护施作后，用激光断面仪对断面进行测量，可得初期支护内轮廓情况，并与设计参数进行对比，可评价初期支护内轮廓是否满足要求。,初期支护内轮廓,2、3D激光扫描仪法,在隧道喷混凝土施作完成后，用3D激光扫描仪进行净空检测，通过数据处理可得到初期支护内轮廓，并将其与设计参数进行对比，可评价初支内净空是否满足要求。,（一）初期支护内轮廓检测,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,八、防水板工艺改进,西南交通大学Southwest Jiaotong University,（一）防水板工艺改进,防水板本身是防水的，但防水板铺设不良，也会丧失防水的功能。过去防水板铺设考虑喷混凝土表面的凹凸不平，要留有适度的富裕。但防水板的富裕过大和富裕不足，都会造成防水板的褶曲和拉伸，这不仅是防水板破损的主因，也是衬砌混凝土充填不足而产生空洞的主因。此外，衬砌背面的凹凸约束了混凝土的收缩动态，也是发生有害开裂的主因。其次，过去工法的防水板施工，因为是用现场作业人员的手，进行凹凸的调整，作业人员的技巧是支配混凝土质量的重要因素。,为了消除上述衬砌施工中的问题，日本开始把把防水板在专用模板上展开，喷混凝土和防水板间的空隙用喷混凝土泵把现场拌合的砂浆等作为充填材料压注到空隙中，构筑防水板表面平滑的形状，背面没有凹凸的衬砌工法。,常规工艺,改进工艺,（一）防水板工艺改进,（一）防水板工艺改进,本工法的施工步骤如下：在专用模板上展开防水板；设置专用模板；堵塞专用模板端部；压注充填材；养生后脱模、移动。此法一举两得，既提高了衬砌的防水性能，又满足了构筑衬砌厚度偏差小的二次衬砌的要求。,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,九、模筑混凝土质量检测,西南交通大学Southwest Jiaotong University,模筑混凝土质量检测的内容、方法及仪器设备,1、超声-回弹综合法,方法详见喷混凝土强度检测，对模筑混凝土采用此方法的优点：表面平整、无虚碴，不需要打磨。,（一）模筑混凝土强度,1、激光断面仪法,在隧道初期支护施作完成后，用激光断面仪检测初期支护内轮廓，待模筑混凝土浇筑完成后，在相同断面再进行净空检测，利用两次测量结果的差值，可得出该断面模筑混凝土厚度的准确值（见下图）。,模筑混凝土厚度,模筑混凝土后检测断面,初期支护内轮廓断面,（二）模筑混凝土厚度,2、3D激光扫描仪法,在隧道初期支护施作完成后，用3D激光扫描仪对初期支护内轮廓断面进行测量，待模筑混凝土浇筑后，在相同断面作净空检测，利用两次测量结果的差值，可得出该断面模筑混凝土厚度的准确值（见下图）。,（二）模筑混凝土厚度,模筑混凝土后检测点位云图,2、3D激光扫描仪法,（二）模筑混凝土厚度,检测原理详见喷混凝土厚度检测中介绍。根据模筑混凝土的厚度，宜选用400MHz或500MHz天线。,（二）模筑混凝土厚度,3、地质雷达方法,1）检测原理,根据铁路隧道衬砌质量无损检测规程测线布置应符合下列规定：隧道施工过程中质量检测应以纵向布线为主，横向布线为辅。纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条;横向布线可按检测内容和要求布设线距，一般情况线距8-12m;采用点测时每断面不少于6个点。检测中发现不合格地段应加密测线或测点。隧道竣工验收时质量检测应纵向布线，必要时可横向布线。纵向布线的位置应在隧道拱顶、左右拱腰和左右边墙各布1条;横向布线线距8-12m;采用点测时每断面不少于5个点。需确定回填空洞规模和范围时，应加密测线或测点。三线隧道应在隧道拱顶部位增加2条测线。测线每510m 应有一里程标记。测线布置见下图：,（二）模筑混凝土厚度,3、地质雷达方法,2）测线布置,图4 雷达测线纵断面布置图,图5 雷达测线横断面布置图,图6 检测方式图,3、地质雷达法,（二）模筑混凝土厚度,模筑混凝土厚度检测的相关内容同喷混凝土厚度检测。,（二）模筑混凝土厚度,3、地质雷达方法,3）模筑混凝土厚度,模筑混凝土背后缺陷判识同喷混凝土背后缺陷。典型图形见下图。,（三）模筑混凝土背后缺陷,用500兆屏蔽天线做拱顶检测，采用CUII主机。图中箭头所指为脱空。,做拱脚检测，用瑞典MALA公司的CUII主机，500兆屏蔽天线。图中52米到76米处存在大面积脱空。,（三）模筑混凝土背后缺陷,K0+100K0+200 左拱脚衬砌其厚度、背后空洞及围岩情况示意图,（四）模筑混凝土质量检测成果,1、混凝土厚度及背后缺陷成果形式,右线K0+000K0+250拱顶衬砌厚度、背后缺陷示意图,左线K0+000K0+250拱顶衬砌厚度、背后缺陷示意图,（四）模筑混凝土质量检测成果,右线K0+010+030段拱顶测线地质雷达图像,右线K0+080+110段拱顶测线地质雷达图像,2、典型地质雷达图像,（四）模筑混凝土质量检测成果,左线K0+170+200段拱顶测线地质雷达图像,左线K0+100+120段拱顶测线地质雷达图像,（四）模筑混凝土质量检测成果,（五）模筑混凝土质量检测照片,（五）模筑混凝土质量检测照片,（五）模筑混凝土质量检测照片,（五）模筑混凝土质量检测照片,（五）模筑混凝土质量检测照片,（五）模筑混凝土质量检测照片,（五）模筑混凝土质量检测照片,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,十、二次衬砌内轮廓及净空检测,西南交通大学Southwest Jiaotong University,二次衬砌内轮廓及净空检测的内容、方法及仪器设备,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,1、激光断面仪法,二次衬砌浇筑完成施作后，用激光断面仪对二次衬砌内轮廓及净空进行测量，可得二次衬砌内轮廓及净空情况，并与设计参数进行对比，可评价二次衬砌内轮廓及净空是否满足要求。,二次衬砌内轮廓及净空,左线K0+071.4检测断面净空(风机),右线K0+073检测断面净空(风机),1、激光断面仪法,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,左线K0+071.4检测断面限界(风机),右线K0+073检测断面限界(风机),1、激光断面仪法,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,2、3D激光扫描仪法,在隧道二次衬砌模筑混凝土施作完成后，用3D激光扫描仪进行二次衬砌内轮廓及净空检测，通过数据处理可得到二次衬砌内轮廓及净空情况，并将其与设计参数进行对比，可评价二次衬砌内轮廓及净空是否满足要求。,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,2、3D激光扫描仪法,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,2、3D激光扫描仪法,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,(a)单线铁路隧道(b)双线铁路隧道,隧道净空断面,2、3D激光扫描仪法,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,(a)单线铁路隧道(b)双线铁路隧道,隧道内实景影像图,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,3、现场检测照片,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,（一）二次衬砌内轮廓及净空检测,s o u t h w e s t j I a o t o n g w n I v e r s I t y,十一、隧道结构耐久性控制,西南交通大学Southwest Jiaotong University,一、隧道结构体系耐久性特点二、隧道结构耐久性设计方法三、隧道结构耐久性技术对策,本节主要内容,1、什么是耐久性？,在预定作用和预期的维修与使用条件下，结构及其构件能在预定的期限（设计使用年限）内维持其所需的最低性能要求的能力。,设计使用年限：设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。（规范的定义会引起误读）,（一）隧道结构体系耐久性特点,（一）隧道结构体系耐久性特点,永远稳定的情况,极不稳定的情况,随机稳定的情况,隧道的稳定情况,隧道结构存在出现不稳定状态的可能性，因此需要研究其耐久性。,2、隧道结构的稳定特性,（一）隧道结构体系耐久性特点,3、隧道结构耐久性与地面结构的区别,地面结构的结构-荷载曲线,隧道支护结构受到的荷载具有不确定性及随时间改变的特点，这是与地面结构的最大区别。,隧道支护结构受力按照“先时间后刚度”原则分配。,（一）隧道结构体系耐久性特点,稳定概率最小值,稳定概率最大值,二次衬砌的失效概率,围岩的失效概率,初期支护的失效概率,隧道作为复合式结构，具有多重防护，结构的整体冗余度高。部分构件的失效不会引起整体的失效。,（一）隧道结构体系耐久性特点,4、隧道结构耐久性的研究思路,地面混凝土结构的耐久性研究思路是：材料 构件 结构 体系,地面结构的耐久性是基于材料耐久性的狭义耐久性。,隧道结构体系的耐久性应基于结构力学与材料耐久性结合的广义耐久性。,结构 构件体系 材料 结构 构件,隧道混凝土结构的耐久性研究思路是：,（一）隧道结构体系耐久性特点,5、隧道结构维修性特点,隧道结构体系中，初期支护处于二次衬砌背后，基本是不可维修的，只有二次衬砌可维修。一旦投入运营，寿命期维修总成本往往高于新建隧道。,合理维修理念：,设计寿命期内不大修，只中小修,少维修、可维修、易维修,（一）隧道结构体系耐久性特点,6、隧道结构寿命特点及规划,物理寿命：采用不考虑成本的维修可使隧道的寿命无限延长。经济寿命：隧道处于严重损伤状态，维修的费用已高于新建隧道的费用。技术寿命：由于修建时工业水平及成本限制，隧道存在“先天不足”，隧道寿命及早终结。社会寿命：社会经济发展速度远超预期，随着扩能改造，隧道寿命及早终结。,（一）隧道结构体系耐久性特点,铁路隧道的耐久性设计使用年限按100年考虑 1.考虑前50年免维修（底部结构可考虑60年，尤其 针对无砟轨道），后50年中、小修但不大修。,2.是指最差环境条件下普遍使用年限不低于100年.（95%？80%？）（扶贫工程）,（二）隧道结构耐久性设计方法,1、隧道结构喷射混凝土和模筑混凝土设计参数,结合隧道综合环境等级和围岩条件确定喷混凝土与衬砌混凝土的设计参数，混凝土设计参数由强度和密实度组合的广谱配方确定见下表。,（二）隧道结构耐久性设计方法,表1 不同隧道环境综合等级对密实度指标的要求,表2 不同围岩级别对强度指标的要求,（二）隧道结构耐久性设计方法,表3 不同密实度指标对应衬砌混凝土胶凝材配方,表4 不同密实度指标对应喷混凝土胶凝材配方,（二）隧道结构耐久性设计方法,表5 不同强度度指标对应衬砌混凝土配合比,表6 不同强度度指标对应喷混凝土配合比,（二）隧道结构耐久性设计方法,表7 隧道主体结构混凝土设计参数指标,（三）隧道结构耐久性技术对策,技术对策总体思路,适当提高设计水平和标准控制施工质量强调早期维护,（三）隧道结构耐久性技术对策,“鸡尾酒”疗法基于提高混凝土耐久性提出的，其技术路线是由“点”(胶凝材高性能化)及“面”（混凝土高性能化）最后到“体”（隧道结构实现高耐久性）。,1、基于“鸡尾酒”疗法研制出高性能多元复合胶凝材,（三）隧道结构耐久性技术对策,采用高性能复合胶凝材配制适用于隧道结构的中等标号高性能、高密实、高耐久的衬砌和喷混凝土技术，多元复合胶凝材改变了原有水泥的矿物组分，改善了胶凝材的微观级配，实现混凝土的高性能（高强度、高密实度、高抗渗、低溶蚀、低开裂、低碳“三高三低”）。采用复合胶凝材配制高性能混凝土是走向低碳经济（低碳隧道）的一条新路。,2、采用多元复合胶凝材配制高性能衬砌和喷混凝土,（三）隧道结构耐久性技术对策,由于施工现场无法严把胶凝材各粉体质量关，现场搅拌工艺难于实现分步投料的胶凝材预拌方式，复合胶凝材应采用”配送站”模式供给，复合胶凝材采用配送站模式生产具有如下优势：（1）由配送站统一提供时，各粉体材料按比例进行物理均化，既保持了各材料原有化学性能，还使胶凝材拌合更均匀，级配更合理，质量有保证；,3、复合胶凝材采用”配送站”模式供给,（三）隧道结构耐久性技术对策,（2）由于各粉体材料易磨性不一样，采用单独粉磨，既保证了材料颗粒形貌和大小，又节约了能源的消耗，同时可以将级、级粉煤灰加工成一级灰，实现废物有效利用，节约了资源；（3）由配送站统一提供时，施工现场拌合站只需要一个粉体材料的储料罐即可，既节约了工程投入，也简化混凝土的搅拌工艺，只要混凝土配比合理，施工得当，质量易于控制，降低工程造价。,（三）隧道结构耐久性技术对策,一般条件下二衬尽量采用素混凝土，慎用