隧道襯砌裂縫深度檢測中填充物影響的研究

周 楊，李 子

（江西省天馳高速科技發展有限公司，南昌 33000）

隧道襯砌混凝土結構物中的裂縫是結構物承載能力、耐久性及防水性等降低的主要原因，因此對其采取相應的修補和加固措施是十分必要的。在實施具體的修補工作之前首先需要進行裂縫調查，包括裂縫的寬度及深度，推斷開裂原因、分析有無修補必要，然后選擇修補方法。在修補工程結束之后，應按需要確認修補效果，可用超聲波測量修補前后的裂縫深度，以對修補結果的有效性作出評價。由此發現，對修補前后的裂縫，都需應用無損檢測技術對深度以及裂縫密實度進行判斷，按照我國相關的技術規程（CECS 21—2000）［1］的要求，結構的裂縫部位只有一個可測表面，估計裂縫深度≤50mm時，可采用單面平測法。但此時裂縫中往往會存在對檢測結果產生干擾的水、砂、水泥漿及裂縫灌漿樹脂等填充物，文章即以德上高速第三方試驗檢測中心裂縫深度的試驗模型及檢測數據為基礎，研究了裂縫中各種可能的填充物對檢測結果的影響，對提高裂縫深度檢測的準確性有一定的參考價值［2］。

1 超聲單面平測法檢測原理

1.1 不跨縫的聲時測量

將發射傳感器T和接收傳感器R置于裂縫附近同一側，以兩個換能器內邊緣間距l′i分別等于100，150，200，250mm 時，讀取聲時值ti，繪制“時－距”坐標圖（見圖1）或用回歸分析的方法求出聲時與測距之間的回歸直線方程：

每測點超聲實際傳播的距離應為：

式中 li——第i點的超聲實際傳播距離；

圖1 時－距坐標圖

l′i——第i點的R、T換能器內邊緣距離；

a——時－距坐標圖中l′軸的截距或直線回歸方程的常數項。

不跨縫平測的混凝土聲速值為：

式中 l′n，l′1——第n點和第1點的測距；

tn，t1——第n點和第1點的讀取的聲時值；

b——回歸系數。

1.2 跨縫的聲時測量

如圖2所示，將收發傳感器分別置于以裂縫為對稱的兩側，以T，R內邊緣間距l′＝100，150，200，250mm等分別讀聲時值。

圖2 跨縫測試圖

1.3 平測法檢測裂縫深度計算公式

式中 li——不跨縫平測時第i點的超聲波實際傳播距離；

hci——第i點計算的裂縫深度值；

mhc——各測點計算裂縫深度的平均值；

n——測點數。

2 裂縫深度檢測試驗

2.1 試驗方案

2.1.1 試驗內容

裂縫深度檢測試驗主要內容如下：

（1）通過對檢測原理的深入分析，結合小尺寸仿真模型，探究不同密實度下，水、砂、水泥漿、裂縫灌漿樹脂等對超聲波單面平測法檢測精度的影響。

（2）通過對裂縫修補前后的檢測，找出提高檢測精度及對裂縫修補后飽滿度進行評價的方法。

2.1.2 試驗步驟

（1）在裂縫內無任何干擾因素的條件下，對裂縫實際深度分別為15，30，80，100，150mm 的模型進行裂縫深度跨縫檢測。

（2）以100mm裂縫深度模型為例，對裂縫中不灌水和灌滿水的兩種工況進行跨縫測量，以研究水對裂縫深度檢測的影響。

（3）以100mm裂縫深度模型為例，分裂縫中不填砂；填砂高度為50mm；填滿砂三種工況進行跨縫測量，以研究砂對裂縫深度檢測的影響。

（4）以100mm裂縫深度模型為例，分裂縫中不填水泥漿；從頂面向內填水泥漿20，80mm和填滿水泥漿四種工況進行跨縫測量，以研究水泥漿對裂縫深度檢測的影響，四種工況均在水泥終凝過后進行裂縫深度檢測。

（5）以100mm裂縫深度模型為例，分裂縫中不填灌漿樹脂；從頂面向內填灌漿樹脂30，70mm及填滿灌漿樹脂四種工況進行跨縫測量，以研究裂縫灌漿樹脂對裂縫深度檢測的影響。

2.1.3 試驗模型

此次探索性試驗的仿真模型是根據隧道襯砌常見的裂縫類型來制作，均在施工單位澆注隧道襯砌混凝土時于其拌合站成型。模型為C25混凝土，尺寸為150mm×150mm×600mm，共10余組，試驗模型見組圖3。

2.2 試驗結果

2.2.1 檢測精度的驗證結果

檢測采用BJLF－1型超聲混凝土裂縫綜合檢測儀，該儀器利用脈沖波在上述仿真模型中傳播的時間、接收波的振幅、頻率和波形等聲學參數的相對變化，來判定該混凝土裂縫的深度。試驗步驟中的步驟（1）驗證結果見表1。

圖3 探索性試驗模型圖

表1 裂縫深度檢測精度驗證結果匯總表

由檢測結果可以知道：在沒有其他干擾因素的情況下，采用BJLF－1型超聲混凝土裂縫綜合檢測儀，檢測誤差為±6.0%，能較好地反映裂縫實際深度狀況。

2.2.2 水對裂縫深度檢測的影響

試驗方案中的步驟（2）檢測結果為裂縫不灌水檢測平均值為98.0mm，誤差為－2.0%；而裂縫灌滿水檢測平均值為68.1mm，誤差為31.9%。

從上發現，跨縫測量裂縫充水情況下，聲時值明顯小于不充水時的聲時值，說明該超聲波縱波在裂縫中有水時會直接通過水面傳播而不會經過縫底，其檢測聲時值為不灌水情況下非跨縫測量與跨縫測量裂縫兩者的平均值，再將計算得到的聲時值進一步求解裂縫深度，可在有水的影響下，估算裂縫的實際深度，且與真實情況基本吻合。

2.2.3 砂對裂縫深度檢測的影響

按照試驗方案中步驟（3）三種工況的檢測平均值均為98.0mm，檢測誤差為－2.0%。

從檢測結果中可以發現，只要填充物為松散物質（例如砂），對檢測結果均無太大影響。

2.2.4 水泥漿對裂縫深度檢測的影響

在隧道裂縫修補處理過程中，針對裂縫寬度較小（＜0.2mm）的情況，往往采用表面涂抹水泥漿進行封閉和修補。按照試驗方案中的步驟（4）結果為裂縫中不填水泥漿檢測平均值為98.0mm；裂縫中從頂面向內填水泥漿20mm檢測平均值為72.4mm；裂縫中從頂面向內填水泥漿80mm檢測平均值為24.5mm；裂縫中填滿水泥漿檢測平均值為0.8mm。而裂縫的實際深度為100mm。

由此可以發現，當出現裂縫表層用水泥漿修補，而下層未修補的情況時，超聲波并非沿著縫底傳播，而是會沿著表層密實物質傳播并且接收，導致最終檢測深度會比實際深度偏??；當裂縫中填滿水泥漿并待其終凝后進行檢測時，由于超聲波在水泥漿中的傳播速度略小于C25混凝土的傳播速度，檢測深度接近于0。因此以檢測最終深度值是否約等于0，可以判斷裂縫是否密實。

2.2.5 灌漿樹脂對裂縫深度檢測的影響

在隧道裂縫修補處理過程中，應用較為廣泛的修補方法為采用灌漿樹脂對裂縫進行封閉。按照試驗方案中的步驟（5），試驗結果為裂縫中不填灌漿樹脂檢測平均值為98.0mm；裂縫中從頂面向內填灌漿樹脂30mm檢測平均值為58.1mm；裂縫中從頂面向內填灌漿樹脂70mm檢測平均值為21.6mm；裂縫中填滿灌漿樹脂檢測平均值為0.6mm。而裂縫的實際深度為100mm。

由此可以發現，此種情況類似于水泥漿填補情況。同樣可以依據檢測最終深度值是否約等于0，來判斷經灌漿樹脂修補后的裂縫是否密實。

3 裂縫深度檢測工程實例驗證

德上第三方受項目辦的委托，在施工單位的配合和現場監理的見證下，對德上高速某隧道進行裂縫深度的初檢和用灌漿樹脂修補后裂縫飽滿度的復檢，并結合現場取芯進行驗證。結果匯總見表2，4個裂縫的初檢和復檢結果均與實際情況吻合。

以1號、4號裂縫為例，現場取芯情況見圖4，5。

1～3號裂縫取芯時，裂縫貫穿芯樣孔，且向內部發育，裂縫壓漿飽滿，1號裂縫初檢深度為16.7cm，復檢深度檢測值為0.4mm≈0，判定裂縫內壓漿飽滿，而取芯結果可以發現，修補效果良好，芯樣長度15cm，初檢與復檢結果與實際情況吻合。

表2 裂縫深度初檢及復檢結果匯總表

4號裂縫初檢深度為11.2cm，復檢深度檢測值為7.8cm，判定裂縫內壓漿不飽滿，而取芯結果可發現，裂縫貫穿芯樣孔，且向內部發育，裂縫未壓漿，芯樣長度10cm，初檢與復檢結果與實際情況吻合。

4 總結

德上第三方裂縫深度檢測試驗，制作了仿真模型10余組，通過對檢測數據進行分析，結合工程實例，總結如下：

（1）對裂縫深度進行初檢時，在沒有其他干擾因素的情況下，采用超聲裂縫綜合檢測儀，檢測誤差為±6.0%，能較好地反映裂縫實際深度狀況。

（2）裂縫中只要填充物為松散物質（例如砂），對檢測結果均無太大影響。

（3）跨縫測量充水裂縫時，聲時值明顯小于不充水時的聲時，說明超聲波在裂縫中有水時會直接通過水面傳播而不經過縫底，也充分證明了該儀器超聲波為縱波，其檢測聲時值為不灌水情況下非跨縫測量與跨縫測量裂縫兩者的平均值，再將計算得到的聲時值進一步求解裂縫深度，可在有水的影響下，估算裂縫的實際深度，且與真實情況基本吻合。

（4）當出現裂縫時，表層用水泥漿或灌漿樹脂修補，而下層未修補時，超聲波并非沿著縫底傳播，而是會沿著表層密實物質傳播并且接收，導致最終檢測深度會比實際深度偏??；當裂縫中填滿水泥漿或灌漿樹脂并待其終凝后檢測時，檢測深度接近于0，因此在對修補后的裂縫進行復檢時，可以根據檢測最終深度值是否約等于0判斷裂縫是否密實。

［1］CECS 21—2000 超聲法檢測混凝土缺陷技術規程［S］.

［2］張冬梅，孫彥祥.常見混凝土裂縫產生的原因及修補方法［J］.混凝土，2001，10（144）：59－61.